Under de senaste decennierna har många experimentella fysiker har undersökt förekomsten av partiklar som kallas axioner, som skulle bero på en specifik mekanism som de tror skulle kunna förklara motsättningen mellan teorier och experiment som beskriver en grundläggande symmetri. Denna symmetri är förknippad med en obalans mellan materia-antimateria i universum, återspeglas i interaktioner mellan olika partiklar.

Om denna mekanism ägde rum i det tidiga universum, en sådan partikel kan ha en mycket liten massa och vara 'osynlig'. forskare föreslog att axionen också kan vara en lovande kandidat för mörk materia, en svårfångad, hypotetisk typ av materia som inte avger, reflektera eller absorbera ljus.

Även om mörk materia ännu inte har observerats experimentellt, det antas utgöra 85% av universums massa. Att upptäcka axioner kan ha viktiga konsekvenser för pågående experiment med mörk materia, eftersom det kan förbättra den nuvarande förståelsen för dessa svårfångade partiklar.

Forskare vid Institute for Basic Science (IBS) har nyligen genomfört en sökning efter osynlig axion mörk materia med hjälp av ett flercelligt kavitetshaloskop som de designade (dvs. ett instrument för att observera glorier, parhelia, och andra liknande fysiska fenomen). Deras resultat jämfördes positivt med resultaten från tidigare haloskopbaserade axions sökningar i mörk materia, belyser potentialen i instrumentet de skapade för både sökningar efter mörk materia och annan fysikforskning.

"Axionen är detekterbar i form av en mikrovågsfoton som den omvandlas till i närvaro av ett starkt magnetfält, "SungWoo Youn, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Ett kavitetshaloskop, vanligtvis använder en cylindrisk resonator placerad i en solenoid för att använda resonans för att förstärka signalen, är det mest känsliga sättet att undersöka de väletablerade teoretiska modellerna. "

Medan kavitetshaloskop kan vara lovande verktyg för att upptäcka axioner, de är i allmänhet mycket känsliga för relativt låga frekvenser. Detta beror främst på att resonansfrekvenser är omvänt proportionella mot hålighetens radie, vilket minskar detektionsvolymen för högfrekventa sökningar.

Detta är en av anledningarna till att den mest känsliga axionssökningen som genomförts hittills, nämligen Axion Dark Matter eXperiment (ADMC) av University of Washington, ange experimentella gränser under 1 GHz. Ett av de möjliga sätten att undvika denna volymförlust skulle vara att bunta ihop många mindre hålrum och kombinera individuella signaler, för att säkerställa att alla frekvenser och faser är synkroniserade.

"Detta system med flera kaviteter har föreslagits tidigare, men har inte behandlats framgångsrikt, på grund av effekter på tillförlitligheten och ökad komplexitet i systemets drift, "Sa Youn." Vårt team vid Center for Axion and Precision Physics Research (CAPP) vid IBS, ligger vid Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) i Sydkorea, ledd av mig själv, utvecklade sålunda en ny kavitetsdesign, så kallad flercellig hålighet. "

Kavitetshaloskopet designat av Youn och hans kollegor kännetecknas av flera skiljeväggar som vertikalt delar volymen i dess hålighet i identiska celler. Denna unika design ökar resonansfrekvenser med minimal volymförlust. Forskarna såg också till att skiljeväggar i mitten av hålrummet är åtskilda av ett gap.

"Genom att göra alla celler rumsligt anslutna, vår design gör det möjligt för en enda antenn att plocka upp signalen från hela volymen och förenklar därmed signifikant strukturen hos mottagarkedjan, "Youn förklarade." Det optimalt stora gapet gör också att den axionsinducerade signalen kan fördelas jämnt över utrymmet, som maximerar den effektiva volymen oavsett bearbetningstolerans och mekanisk felinriktning i hålighetskonstruktion. Jag kallade denna kavitetsdesign för 'pizzakavitet' och jämförde klyftan med en pizzasparare, som håller skivorna intakta med sina ursprungliga pålägg. "

Haloskopet som forskarna använde för att genomföra sitt experiment är resultatet av ungefär två års forskning baserad på simuleringar, följt av tillverkning av många prototyper. I deras senaste studie, den användes för att utföra en sökning efter axion mörk materia med hjälp av en 9T-supraledande magnet vid en temperatur av 2 kelvin (-271 ° C). Detta gjorde det möjligt för forskarna att snabbt skanna ett frekvensområde> 200 MHz över 3 GHz, vilket är 4-5 gånger högre än det som täcks av ADMX -experimentet.

"Även om vi inte har observerat någon axionliknande signal, vi visade framgångsrikt att flercellshålan skulle kunna detektera högfrekventa signaler med hög prestanda och tillförlitlighet, "Sa Youn." Vi beräknade också att på grund av den större volymen och högre effektiviteten, denna nya kavitetsdesign kan göra det möjligt för oss att utforska det givna frekvensområdet fyra gånger snabbare än det konventionella. Jag kommer ofta med ett humoristiskt men meningsfullt uttalande:"Om ett traditionellt experiment tar fyra år att undersöka något, vårt experiment tar bara 1 år. Vår doktorsexamen studenter kan ta examen mycket snabbare än andra. '"

Studien som utförts av Youn och hans kollegor visar värdet och potentialen för pizzakavitetshaloskopet som de utvecklat för att utföra osynliga sökningar i mörk materia i högfrekventa regioner. I framtiden, det kan således underlätta sökandet efter denna svårfångade typ av materia och en dag kanske till och med möjliggöra upptäckt av det.

"För närvarande, vårt centrum förbereder sig också för experiment genom att ympa flera pizzahålor på de befintliga systemen för att söka efter ännu högre frekvenser, "Tillade Youn.

© 2020 Science X Network