Forskare vid Center for Axion and Precision Physics Research (CAPP), inom Institute for Basic Science (IBS, Sydkorea), har rapporterat de första resultaten av deras sökning efter axioner, svårfångad, ultralätta partiklar som anses vara kandidater för mörk materia. IBS-CAPP ligger vid Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST). Publicerad i Fysiska granskningsbrev , analysen kombinerar data som tagits under tre månader med en ny axionjaktapparat som utvecklats under de senaste två åren.

Att bevisa förekomsten av axioner kan lösa två av de största mysterierna i modern fysik på en gång:varför galaxer som kretsar i galaxkluster rör sig mycket snabbare än förväntat, och varför två grundläggande naturkrafter följer olika symmetriregler. Den första gåtan togs upp på 1930 -talet, och bekräftades på 1970 -talet när astronomer märkte att den observerade massan av Vintergatans galax inte kunde förklara den starka gravitation som drabbats av stjärnorna i galaxerna. Den andra gåtan, kallas det starka CP -problemet, kallades av Forbes tidning som "det mest underskattade pusslet i hela fysiken" 2019.

Symmetri är ett viktigt element i partikelfysik och CP hänvisar till Charme+Parity symmetri, där fysikens lagar är desamma om partiklar byts ut med motsvarande antipartiklar (C) i sina spegelbilder (P). När det gäller den starka kraften, som är ansvarig för att hålla kärnor ihop, CP -överträdelse är tillåten teoretiskt, men har aldrig upptäckts, även i de mest känsliga experimenten. Å andra sidan, CP -symmetri kränks både teoretiskt och experimentellt i den svaga kraften, som ligger till grund för vissa typer av radioaktiva sönderfall. 1977, teoretiska fysiker Roberto Peccei och Helen Quinn föreslog Peccei-Quinn-symmetrin som en teoretisk lösning på detta problem, och två nobelpristagare i fysik, Frank Wilczek och Steven Weinberg, visade att Peccei-Quinn-symmetrin resulterar i en ny partikel:axionen. Partikeln fick sitt namn efter ett amerikanskt tvättmedel, eftersom det borde rensa den starka interaktionen.

För närvarande, det uppskattas att 85% av materia i universum består av mörk materia, vilket är omärkligt. Mörk materia ger tillräckligt med massa för att hindra solen från att lämna Vintergatan, men det syns inte under vanliga förhållanden. Med andra ord, axioner förväntas finnas i stor mängd i universum, men att knappt interagera med de partiklar som är bekanta för oss.

Enligt förutsägelserna och Fermis gyllene regel, en axion omvandlas spontant till två detekterbara partiklar (fotoner) med en extremt låg hastighet, och denna konvertering kan vara snabbare i en miljö där en av fotonerna redan finns. I experiment, den rollen spelas av ett starkt magnetfält, som tillhandahåller fotoner av alla energinivåer (praktiskt taget), påskyndar processen enormt.

För att underlätta axion-till-foton-konvertering, IBS-forskare använde sitt skräddarsydda CAPP-8TB-haloskop. Detta instrument har en cylinderformad supraledande magnet med ett tydligt hål på 165 mm och ett centralt magnetfält på 8 Tesla. Signalen från de axion-framkallade fotonerna förstärks i en resonanshålighet. Om rätt frekvens väljs, fotonerna skulle resonera i hålrummet och markera deras närvaro med en liten blixt. Teamet skulle behöva upptäcka cirka 100 mikrovågsfoton per sekund för att göra ett säkert uttalande.

"Detta experiment är inte en 100-meters sprint, men det första målet i ett maratonlopp. Vi lärde oss genom att göra, och vi testade nya koncept som ska användas på högre system i framtiden, "förklarar Yannis K. Semertzidis, Centerns direktör och även professor i KAIST.

I denna experimentella körning, laget sökte axioner med en massa mellan 6,62 och 6,82 μeV, motsvarar frekvensen mellan 1,6 och 1,65 GHz, ett område som valdes ut med kvantkromodynamik. Forskarna visade experimentellt med en 90% konfidensnivå, det mest känsliga resultatet i massintervallet hittills, att det inte finns någon axion mörk materia eller axionliknande partikel inom det området. På det här sättet, CAPP-8TB tar sin plats bland andra axionjaktförsök som tittar på olika möjliga massor. Dessutom, detta är det enda experimentet vid det massintervallet som når nära den känslighet som krävs enligt de två mest kända teoretiska modellerna om axioner:KSVZ -modellen och DFSZ -modellen. Bokstäverna är förkortningar som hänvisar till forskarna som föreslog dem.

"Vi bevisade att vi kan uppnå mycket bättre känslighet än alla andra experiment i det frekvensområdet och att vi är redo att skala upp vår forskning med större system. Vi strävar efter att vara i toppen av vårt område de kommande tio åren. Det är därför det är så spännande, "säger forskaringenjör Soohyung Lee, studiens första författare.

Massintervallet bestäms av kavitetens diameter. En större diameter kan söka i en region med lägre massa och vice versa. Eftersom CAPP-8TB:s resonanshålighet är placerad inuti den supraledande magnetens klara hål, IBS -forskare konstruerade en avstämbar cylindrisk kopparhålighet som en resonator med maximal tillgänglig volym.

Bortom hålrummet, CAPP-8TB-haloskopet har ett antal spetsteknologier, inklusive ett kylskåp för utspädning som når –273 grader Celsius (ungefär 50 mK över absolut noll), en superledande magnet med ett starkt magnetfält, lågbrus mikrovågselektronik och toppmoderna förstärkare.

Planen är att leta efter axioner som ställer in haloskopet med en frekvens av 1 till 10 GHz, och senare på 10 till 25 GHz med en kraftfullare magnet med stor volym, genomföra alla sina uppfinningar. Sökandet efter axioner fortsätter oavbrutet.