Forskare vid University of Delaware, University of Arizona och Haverford College har nyligen introducerat idén att söka efter skalär mörk materia med hjälp av kompakta akustiska resonatorer. Deras papper, publicerad i Fysiska granskningsbrev , demonstrerar teoretiskt potentialen hos mekaniska system för att söka efter mörk materia.

"Som en teoretiker som började inom optomekanik som doktorand, Jag har ofta undrat om det är möjligt att använda några av de utsökta enheter som mina experimentella kollegor utvecklar som sensorer för att upptäcka nya fysiska fenomen, "Swati Singh, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "När jag läste ett papper om hur vissa typer av mörk materia kan leda till en periodisk spänningssignal, Jag gjorde kopplingen till mitt tidigare arbete om att detektera gravitationsvågor från pulsarer. Målet med vår senaste tidning var att visa löftet om ett mycket bredare utbud av mekaniska enheter som bordssensorer för mörk materia."

Sedan många år tillbaka, teoretiska fysiker har förutspått förekomsten av partiklar som inte avger, reflektera eller absorbera ljus, och kan således inte upptäckas med traditionella verktyg för att studera materia. Medan många forskare har försökt upptäcka dessa partiklar, känd som mörk materia, deras exakta natur förblir okänd.

"Även om vi inte vet vad mörk materia är, vi kan förenkla sökningen genom att fokusera på teoretiskt motiverade partiklar, "Jack Manley, en annan forskare inblandad i den senaste studien, berättade för Phys.org. "Vi har valt att söka efter "ultraljus" mörk materia:partiklar som i teorin är lättare än neutriner."

Forskare antar att ultralätt mörk materia är extremt lätt, lättare än neutrinos. Om sådana partiklar av mörk materia fanns, deras densitet skulle vara så stor att de bättre skulle ses som en vätska som genomsyrar galaxen, producerar en vågliknande störning på normal materia.

"Hypotesen för ultralätt mörk materia är motiverad av strängteoretiska scenarier, och dessutom, kan förklara några förbryllande diskrepanser mellan förutsägelserna av mer prosaiska mörka molekyler och distributionen av mörk materia på galaktiska skalor, "Daniel Grin, en annan forskare som är involverad i studien, berättade för Phys.org.

I deras studie, Singh, Manley, Grin och deras kollegor sökte efter en specifik typ av partikel som får storleken på atomerna att svänga, kallad skalär mörk materia. Denna oscillation skulle vara liten för en enda atom, ändå kan det förstärkas i föremål som består av flera atomer. Objekt som naturligt vibrerar synkront med denna svängning kan förstärka effekten ytterligare, som liknar ett musikinstrument.

"En nyckelkomponent i vårt arbete är att identifiera en klass av mekaniska föremål som vibrerar med frekvensen av ultralätt mörk materia och producerar en mycket ren resonans, "Dalziel Wilson, en annan forskare som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Vi föreslår att lyssna på dessa enheter i ett mycket tyst, kryogen miljö, använder ljus som en sorts mikrofon."

Forskarna vill använda akustiska kompakta resonatorer gjorda av superfluid helium eller enkristallmaterial för att söka efter skalära mörk materiakandidater. Deras teoretiska förutsägelser tyder på att dessa resonatorer skulle kunna komma åt ett brett segment av tidigare osökt parameterutrymme.

Övergripande, den nyligen genomförda studien utförd av Singh, Manley, Flin, Wilson och deras kollegor lyfter fram potentialen hos toppmoderna mekaniska system i cm-skalan för att detektera mörk materia i tidigare outforskade regimer, med individuella partikelmassor från 10 ^-48 kg till 10 ^-42 kg. I framtiden, dessa resonatorer kan således spela en avgörande roll i sökandet efter mörk materia, särskilt det i ultralätta regimen.

"Genom att inleda samarbeten mellan kvantoptik och högenergifysiksamhällen (som vi gjorde genom att involvera partikelfysikern Daniel Grin), vi kan utveckla en bättre ömsesidig förståelse för motivationen för och begränsningarna hos nya detektorer för mörk materia, " sa Singh.

Mörka fotoner, partiklar som antas vara matematiskt lika fotoner, är en av de mest populära vektorkandidaterna för mörk materia. Även om dessa partiklar aldrig har observerats tidigare, det finns nu en betydande mängd teori om dem.

I sina framtida studier, forskarna skulle vilja använda kompakta resonatorer för att söka efter mörka fotoner. Deras första beräkningar tyder på att dessa mekaniska enheter kan sätta nya gränser för hur starkt mörka fotoner skulle kopplas till normal materia, men detta kan endast bekräftas av experimentella studier.

"Vi designar för närvarande ett experiment för att söka efter vektormörk materia, som kopplas till positionen snarare än storleken på atomer, ", sa Wilson. "En enkel sträng eller trumliknande mekanisk resonator skulle vara känslig för denna typ av skakning. Intressant, ansträngningar att mäta den kvantiserade rörelsen av cm-skaliga nanosträngar och membran, inom området kavitetsoptomekanik, kunde redan sätta nya begränsningar för existensen av sådan mörk materia."

© 2020 Science X Network