Det internationella samarbetet ALPS II ("Any light particle search") installerade den första av 24 supraledande magneter idag, markerar starten på installationen av ett unikt partikelfysikexperiment för att leta efter mörk materia. Beläget vid det tyska forskningscentret DESY i Hamburg, den är inställd på att börja ta data 2021 genom att leta efter mörk materia partiklar som bokstavligen får ljus att lysa genom en vägg, vilket ger ledtrådar till en av de största frågorna inom fysiken idag:vad är mörk materias natur?

"Det är väldigt spännande att se projektet som många av oss har arbetat med i så många år äntligen ta form i tunneln, " ALPS-II talesman Axel Linder från DESY sa. "När installation och driftsättning går som planerat kommer vi att kunna påbörja sökningen under första halvåret 2021."

Mörk materia är ett av fysikens största mysterier. Observationer och beräkningar av stjärnors rörelse i galaxer, till exempel, visa att det måste finnas mer materia i universum än vi kan redogöra för med materiepartiklar kända idag. Faktiskt, mörk materia måste utgöra 85 % av all materia i universum. Dock, för närvarande vet vi inte vad det är. Men vi vet att den inte interagerar med vanlig materia och är i huvudsak osynlig, så att det kallas "mörkt".

Det finns flera teorier som försöker förklara mörk materias natur och de partiklar den kan bestå av. En av dessa teorier säger att mörk materia består av mycket lätta partiklar med mycket specifika egenskaper. Ett exempel är axionen som ursprungligen postulerades för att förklara aspekter av den starka interaktionen, en av naturens grundläggande krafter. Det finns också förbryllande astrofysiska observationer som skillnader i utvecklingen av stjärnsystem, vilket också kan förklaras av förekomsten av axioner eller axionliknande partiklar.

Det är här ALPS II kommer in. Den är designad för att skapa och detektera dessa axioner. Ett starkt magnetfält kan få axioner att byta till fotoner och vice versa. "Den här bisarra egenskapen utnyttjades redan i det första ALPS I-experimentet som vi körde från 2007 till 2010. Trots sin begränsade storlek, den uppnådde världens bästa känslighet för den här typen av experiment, sa Benno Willke, ledaren för ALPS och för laserutvecklingsgruppen vid Max Planck-institutet för gravitationsfysik (Albert Einstein-institutet) och vid Institutet för gravitationsfysik vid Leibniz Universität i Hannover.

ALPS II sätts upp i en rak tunnelsektion av DESYs tidigare partikelfysikaccelerator HERA. Tjugofyra supraledande acceleratormagneter, tolv på vardera sidan om en vägg, rymmer två 120 meter långa optiska kaviteter. Ett kraftfullt och invecklat lasersystem producerar ljus som förstärks av kaviteten inuti magnetfältet och kommer, till en mycket liten bråkdel, omvandlas till mörk materia partiklar. En ljusblockerande barriär – en vägg – separerar det andra facket i ALPS II, men denna vägg är inget hinder för axioner och liknande partiklar som lätt kan passera genom den. I den andra kaviteten skulle mörk materia partiklar omvandlas tillbaka till ljus. Den lilla signalen kommer att fångas upp av dedikerade detektionssystem.

Ju fler än 1, 000-faldig förbättring av känsligheten hos ALPS II är möjlig tack vare den ökade längden på magnetsträngarna men också av betydande framsteg inom optisk teknologi. "Dessa framsteg kom från arbetet med gravitationsvågsinterferometrar som GEO600 och LIGO, och visa på ett snyggt sätt hur tekniska framsteg på ett område möjliggör framsteg på andra, " sa medtalesperson Guido Mueller från University of Florida i Gainesville.

ALPS II är också ett exempel på återvinning inom forskning:det återanvänder inte bara en tunnelsträcka som en gång inhyste DESYs flaggskepp partikelaccelerator, men den återanvänder också själva magneterna som drev protoner runt ringen fram till 2007. Dessa magneter behövde omkonstrueras för att passa ALPS-ändamålen:den lilla böjningen som behövdes i en acceleratorring måste tas bort för att fotoner ska kunna fortplanta sig genom dem.

ALPS II-samarbetet består av ett 25-tal forskare från dessa institut:DESY, Max Planck-institutet för gravitationsfysik (Albert Einstein-institutet) och Institutet för gravitationsfysik vid Leibniz Universität i Hannover, Johannes Gutenberg-Universität Mainz, University of Florida i Gainesville, och Cardiff University. Bortom det, samarbetet stöds av partners över hela världen som National Metrology Institute (PTB) i Tyskland och National Institute of Standards and Technology i USA. Experimentet finansieras huvudsakligen av DESY, Heising-Simons Foundation, US National Science Foundation, tyska Volkswagen Stiftung och German Research Foundation (DFG).

På DESY, ALPS II kan vara bara det första experimentet inom ett nytt strategiskt tillvägagångssätt för att tackla mörk materia. "Internationella samarbeten förbereder IAXO-experimentet för att söka efter axioner som emitteras av solen såväl som MADMAX-detektorn, som kommer att leta direkt efter axioner som beståndsdelar av den lokala mörka materien som omger oss", förklarade Joachim Mnich, DESY:s chef för partikelfysik.