ADMX, med sin världsledande känslighet, har uteslutit axioner av ett visst massintervall som mörk materia.

Axioner är en hypotetisk kandidat för den mörka materia som utgör det mesta av massan av vår Vintergatans galax. Axion Dark Matter-experimentet letar efter "osynliga" axioner från vår galax som omvandlas till detekterbara ljuspartiklar, kallas fotoner, inom experimentets kraftfulla magnetfält.

"När du letar efter en ny partikel som en axion, du utforskar interaktioner som resulterar i kända partiklar, som fotoner, " sa Rakshya Khatiwada, Fermilab forskarassistent som har lett utvecklingen av lågbrusdetektorer för ADMX under de senaste fyra åren.

Fermilab är det ledande DOE-laboratoriet för ADMX, som arrangeras av University of Washington. Fermilab finansieras av Department of Energy Office of Science.

Inuti ADMX, en supraledande magnet genererar ett magnetfält som skulle förvandla odetekterbara axioner till fotoner. Inom det fältet sitter en detektor som kan ställas in på olika frekvenser som motsvarar signaler från axioner av olika massor som kommer från halo av mörk materia i Vintergatan, liknande hur en radio ställer in en radiostation.

Om du kunde sträcka en linjal från ena änden av den synliga Vintergatan till den andra, det skulle mäta cirka 100, 000 ljusår över, vilket betyder att det skulle ta ljus – det snabbaste i universum – så många år att resa från den ena änden till den andra. För perspektiv, det tar bara åtta minuter för ljus att resa från solen till jorden.

Men den faktiska storleken på vår galax kan vara ännu större än så.

Forskare tror att ett sfäriskt moln av mörk materia - en gloria av mörk materia - omsluter nästan varje galax. Denna galaktiska mörka materia skulle vara tätast i mitten av galaxen, med minskande densitet när man rör sig utåt. Jorden är ungefär 25, 000 ljusår från Vintergatans centrum, så fysiker kan förutsäga vad den lokala tätheten av mörk materia bör vara.

Förekomsten av mörk materia föreslogs först 1933 baserat på rörelsen av galaxhopen Coma. Forskaren Fritz Zwicky beräknade att, med tanke på hur galaxer nära klustrets kant rörde sig, klustret borde ha haft mycket mer massa än vad som hade observerats. För att förklara den uppenbara bristen på tillräcklig massa, han föreslog att ytterligare materia — mörk materia — måste vara i arbete. Bevisen för mörk materia har sedan hopats, men forskare har ännu inte direkt upptäckt byggstenarna i denna osynliga materia i laboratoriet.

Utmaningen med att hitta mörk materia är att den mycket sällan interagerar med vanlig materia. För jämförelse, ta neutrinon – en känd partikel som en gång ansågs vara en kandidat för mörk materia. Neutrinos är kända för sina mycket svaga interaktioner – cirka 100 miljarder passerar genom tumspetsen varje sekund. De seglar genom dig utan dig, eller din kropp, någonsin märker. Och ändå, forskare kom på hur man bygger experiment för att upptäcka neutriner. Det faktum att vi fortfarande inte har upptäckt mörk materia betyder att deras interaktioner är ännu svagare och att vi behöver ännu känsligare experiment för att upptäcka dem.

Om hittad, axioner skulle också lösa en annan fysikgåta:problemet med stark laddningsparitet.

1977, fysikerna Helen Quinn och Roberto Peccei föreslog en ny modell för att förklara varför de starka interaktionerna inte bryter mot laddningsparitetssymmetri (CP). Kort därefter, två andra fysiker (och senare nobelpristagare) Frank Wilczek och Steven Weinberg insåg att Peccei och Quinns modell förutspådde existensen av en ny partikel, axionen, och man insåg senare att axioner kunde vara den mörka materien. Det starka CP-problemet är komplext, men den har i huvudsak samma problem som astrofysiken har utan mörk materia:teori och observation, relaterad till standardmodellen för fysik, stämmer inte överens. Som med mörk materia, denna gåta betyder att det finns något som forskarna ännu inte helt har förstått om naturen.

Möjligheten att svara på två stora fysikfrågor samtidigt gör axioner till populära partiklar att söka efter.

Under 2017, ADMX opererade med den högsta känsligheten av något axionexperiment hittills. Genom att göra så, det uteslöt en rad möjliga axionsmassor.

Nu släppte ADMX-samarbetet sina senaste resultat baserat på data från 2018. De nya resultaten utesluter ännu ett massintervall, fyra gånger bredare än den första, samtidigt som samma grad av exceptionell känslighet bibehålls.

"Detta resultat är så bra som det blir för axioner i massområdet ADMX är känsligt för, ", sa Khatiwada. "Vilket är otroligt värdefullt, för att vi säger, med en högre grad av säkerhet än någonsin tidigare att axioner inte existerar där."

Vetenskapliga upptäckter, särskilt av partiklar som mycket sällan interagerar med materia, lita på denna sålla bort process. Higgs boson, till exempel, upptäcktes av LHC 2012, nästan 50 år efter att det först föreslogs. Utan både CERNs Large Electron-Positron Collider och Fermilabs Tevatron-begränsningar för vilka massor som var möjliga för den svårfångade partikeln, LHC-experimenten skulle inte ha vetat exakt var de skulle leta. Utan att sätta begränsningar, det är praktiskt taget omöjligt att komma in på nya, svagt interagerande partiklar.

Med båda resultaten, ADMX har uteslutit möjligheten att axioner existerar med massa mellan 2,66 och 3,33 miljondelar av en elektronvolt i energi. För jämförelse, elektronens massa är 511, 000 elektronvolt.

Med mer data och dess enastående känslighet, ADMX kommer att kunna upptäcka om axioner finns eller utesluta dem över ett mycket bredare spektrum av massor.

ADMX kommer att starta ytterligare en dataupptagning i år för att utforska intervallet över 3,33 miljondelar av en elektronvolt. Och det kommer bara att öka sin känslighet för axioner med nya och kommande framsteg för att minska bakgrundsljudet.

"Det är overkligt att hjälpa till att bygga och driva ett experiment som är unikt i världen, ", sa Khatiwada. "Det är verkligen givande att se alla från doktorander och postdoktorer till forskare och professorers hårda arbete lönar sig."