Baryon Antibaryon Symmetry Experiment (BASE) vid CERNs Antimateria Factory har satt nya gränser för förekomsten av axionliknande partiklar, och hur lätt de i ett smalt massintervall runt 2,97 neV kan förvandlas till fotoner, ljuspartiklarna. BASEs nya resultat, publicerad av Fysiska granskningsbrev , beskriver denna banbrytande metod och öppnar nya experimentella möjligheter i sökandet efter kall mörk materia.

Axioner, eller axionliknande partiklar, är kandidater för kall mörk materia. Från astrofysiska observationer, vi tror att cirka 27 % av materia-energiinnehållet i universum består av mörk materia. Dessa okända partiklar känner tyngdkraften, men de svarar knappt på de andra fundamentala krafterna, om de överhuvudtaget upplever dem. Den bäst accepterade teorin om fundamentala krafter och partiklar, kallad standardmodellen för partikelfysik, innehåller inga partiklar som har rätt egenskaper att vara kall mörk materia. Resultatet som rapporterats av BASE undersöker denna hypotetiska bakgrund av mörk materia som finns i hela universum.

Eftersom standardmodellen lämnar många frågor obesvarade, fysiker har föreslagit teorier som går utöver det, varav några förklarar mörk materias natur. Bland sådana teorier finns de som antyder förekomsten av axioner eller axionliknande partiklar. Dessa teorier måste testas, och många experiment har skapats runt om i världen för att leta efter dessa partiklar, inklusive på CERN. För första gången, BASE har vänt de verktyg som utvecklats för att detektera enstaka antiprotoner, antimateriamotsvarigheten till en proton, till sökandet efter mörk materia. Detta är särskilt viktigt eftersom BASE inte designades för sådana studier.

"BASE har extremt känsliga detektionssystem för att studera egenskaperna hos enstaka fångade antiprotoner. Dessa detektorer kan också användas för att söka efter signaler från andra partiklar än de som produceras av antiprotoner i fällor. I detta arbete, vi använde en av våra detektorer som en antenn för att söka efter en ny typ av axionliknande partiklar, " säger Jack Devlin, en CERN-forskare som arbetar med experimentet.

Jämfört med de stora detektorerna installerade i Large Hadron Collider, BASE är ett litet experiment. Den är ansluten till CERNs Antiproton Decelerator, som förser den med antiprotoner. BASE fångar upp och hänger upp dessa partiklar i en Penning -fälla, en enhet som kombinerar elektriska och starka magnetfält. För att undvika kollisioner med vanlig materia, fällan drivs vid 5 kelvin (cirka -268 grader Celsius), en temperatur vid mycket låga tryck, liknande dem i rymden, nås. I denna extremt välisolerade miljö, moln av instängda antiprotoner kan finnas i flera år i taget. Genom att noggrant justera de elektriska fälten, fysikerna på BASE kan isolera individuella antiprotoner och flytta dem till en separat del av experimentet. I denna region, mycket känsliga supraledande resonansdetektorer kan ta upp de små elektriska strömmar som genereras av enstaka antiprotoner när de rör sig runt fällan.

I arbetet publicerat av Fysiska granskningsbrev , BASE -teamet letade efter oväntade elektriska signaler i sina känsliga antiprotondetektorer. I hjärtat av varje detektor finns en liten, ca 4 cm i diameter, munkformad spole av supraledande tråd, som liknar de induktorer man ofta hittar i vanlig elektronik. Dock, BASE-detektorerna är supraledande och har nästan inget elektriskt motstånd, och alla omgivande komponenter är noggrant utvalda så att de inte orsakar elektriska förluster. Detta gör BASE-detektorerna extremt känsliga för små elektriska fält. Detektorerna är placerade i Penningfällans starka magnetfält; axioner från den mörka materiens bakgrund skulle interagera med detta magnetfält och förvandlas till fotoner, som sedan kan upptäckas.

Fysiker använde antiprotonen som en kvantsensor för att kalibrera bakgrundsljudet på deras detektor. De började sedan söka efter signaturer med smala frekvenser som inte överensstämmer med detektorbrus, hur svag som helst, som skulle kunna antyda de som induceras av axionliknande partiklar och deras möjliga interaktioner med fotoner. Inget hittades vid de frekvenser som registrerades, vilket innebär att BASE lyckades sätta nya övre gränser för möjliga interaktioner mellan fotoner och axionliknande partiklar med vissa massor.

Med denna studie, BASE öppnar möjligheter för andra Penning trap -experiment att delta i sökandet efter mörk materia. Eftersom BASE inte byggdes för att leta efter dessa signaler, flera förändringar skulle kunna göras för att öka experimentets känslighet och bandbredd och förbättra sannolikheten för att hitta en axionliknande partikel i framtiden.

"Med denna nya teknik, vi har kombinerat två tidigare orelaterade grenar av experimentell fysik:axionsfysik och Penning trap-fysik med hög precision. Vårt laboratorieexperiment är ett komplement till astrofysikexperiment och är särskilt känsligt i området med låg axionmassa. Med ett specialbyggt instrument skulle vi kunna bredda landskapet av axionsökningar med Penning trap-tekniker, säger BASE talesperson Stefan Ulmer.