Forskare är säkra på att mörk materia finns. Än, efter mer än 50 års sökande, de har fortfarande inga direkta bevis för den mystiska substansen.

University of Delawares Swati Singh är bland en liten grupp forskare över mörk materia-gemenskapen som har börjat undra om de letar efter rätt typ av mörk materia.

"Tänk om mörk materia är mycket ljusare än vad traditionella partikelfysikexperiment letar efter?" sa Singh, en biträdande professor i el- och datateknik vid UD.

Nu, Singh, Jack Manley, en UD doktorand, och samarbetspartners vid University of Arizona och Haverford College har föreslagit ett nytt sätt att leta efter partiklarna som kan utgöra mörk materia genom att återanvända befintlig sensorteknik för bordsskivor. Teamet rapporterade nyligen sitt tillvägagångssätt i en tidning publicerad i Fysiska granskningsbrev .

Medförfattare på tidningen inkluderar Dalziel Wilson, en biträdande professor i optiska vetenskaper från Arizona, Mitul Dey Chowdhury, en doktorand i Arizona, och Daniel Grin, en biträdande professor i fysik vid Haverford College.

Ingen vanlig sak

Singh förklarade att om man lägger ihop alla de saker som avger ljus, som stjärnor, planeter och interstellär gas, den står bara för cirka 15 % av materien i universum. De övriga 85 % kallas mörk materia. Den avger inget ljus, men forskare vet att det existerar genom dess gravitationseffekter. De vet också att det inte är en vanlig fråga, som gas, damm, stjärnor, planeter och vi.

"Det kan bestå av svarta hål, eller det kan bestå av något biljoner gånger mindre än en elektron, känd som ultralätt mörk materia, sa Singh, en kvantteoretiker känd för sina banbrytande ansträngningar för att driva fram mekanisk upptäckt av mörk materia.

En möjlighet är att mörk materia består av mörka fotoner, en typ av mörk materia som skulle utöva en svag oscillerande kraft på normal materia, får en partikel att röra sig fram och tillbaka. Dock, eftersom mörk materia finns överallt, den utövar den kraften på allt, vilket gör det svårt att mäta denna rörelse.

Singh och hennes medarbetare sa att de tror att de kan övervinna detta hinder genom att använda optomekaniska accelerometrar som sensorer för att upptäcka och förstärka denna svängning.

"Om kraften är materialberoende, genom att använda två föremål sammansatta av olika material blir mängden de tvingas olika, vilket betyder att du skulle kunna mäta skillnaden i acceleration mellan de två materialen, sade Manley, tidningens huvudförfattare.

Wilson, en kvantexperimentalist och en av UD-teamets medarbetare, liknade en optomekanisk accelerometer vid en miniatyrstämgaffel. "Det är en vibrerande enhet som, på grund av sin ringa storlek, är mycket känslig för störningar från omgivningen, " han sa.

Nu, forskarna har föreslagit ett experiment med ett membran tillverkat av kiselnitrid och en fast berylliumspegel för att studsa ljus mellan de två ytorna. Om avståndet mellan de två materialen ändras, forskarna skulle veta från det reflekterade ljuset att mörka fotoner fanns eftersom kiselnitrid och beryllium har olika materialegenskaper.

Samarbete var en viktig del av utvecklingen av experimentets design, enligt Manley. Han och Singh (teoretiker) arbetade med Wilson och Dey Chowdhury (experimentalister) på de teoretiska beräkningarna som gick in i den detaljerade planen för att bygga deras föreslagna accelerometersensor för bordsskivor. Under tiden, Flin, en kosmolog, hjälpte till att kasta ljus över de partikelfysiska aspekterna av ultralätt mörk materia, som varför det skulle vara ultralätt, varför det kan kopplas till material på olika sätt och hur det kan tillverkas.

Som teoretiker, Manley sa att möjligheten att lära sig mer om hur enheter fungerar och hur experimentalister bygger saker för att bevisa teorierna som han och Singh utvecklar har fördjupat hans expertis och samtidigt breddat hans exponering för möjliga karriärvägar.

Ett växande arbete

Viktigt, detta senaste arbete bygger på tidigare publicerad forskning av de samarbetande teamen, rapporterade förra sommaren i Fysiska granskningsbrev . Pappret, som inkluderade bidrag från tidigare UD-student Russell Stump, visade att flera befintliga och korttidsenheter i laboratorieskala är tillräckligt känsliga för att upptäcka, eller utesluta, möjliga partiklar som kan vara ultralätt mörk materia.

Forskningen rapporterade att vissa typer av ultralätt mörk materia skulle ansluta, eller par, med normal materia på ett sätt som skulle orsaka en periodisk förändring av atomernas storlek. Även om små fluktuationer i storleken på en enskild atom kan vara svåra att märka, effekten förstärks i ett föremål som består av många atomer, och ytterligare förstärkning kan uppnås om objektet är en akustisk resonator. Samarbetet utvärderade prestandan hos flera resonatorer gjorda av olika material, från superfluid helium till enkristallin safir, och fann att dessa sensorer kan användas för att detektera den mörka materia-inducerade töjningssignalen.

Båda projekten stöddes delvis genom Singhs finansiering från National Science Foundation för att utforska nya idéer kring användning av toppmoderna kvantenheter för att upptäcka astrofysiska fenomen med bordstekniker som är mindre och billigare än andra metoder.

Tillsammans, Singh sa, dessa artiklar utökar arbetet med vad som är känt om möjliga sätt att upptäcka mörk materia och föreslår möjligheten till en ny generation av bordsexperiment.

Singh och Manley arbetar med andra experimentella grupper, för, att utveckla ytterligare bordssensorer för att leta efter sådan mörk materia eller andra svaga astrofysiska signaler. De odlar också aktivt bredare diskussioner om detta ämne inom mörk materia och kvantsensorsamhällen.

Till exempel, Singh diskuterade nyligen transformationella instrumenteringsframsteg inom partikelfysikdetektorer vid en virtuell workshop som anordnades av Department of Energy's Coordinating Panel for Advanced Detectors (CPAD). Hon presenterade också dessa resultat vid en speciell workshop under American Physical Societys aprilmöte.

"Det är en spännande tid, och jag lär mig mycket av frågorna som ställs av forskare med olika bakgrunder vid sådana workshops, ", sa Singh. "Men det är värt att notera att mina mest originella forskningsidéer fortfarande kommer ur frågor från nyfikna studenter."