Fältet för mörk foton mörk materia omvandlas till fotoner i ett skiktat dielektriskt mål. Dessa fotoner fokuseras av en lins på en liten SNSPD-detektor med låg brus. Strålen som sänds ut från stapeln är ungefär likformig förutom ett litet område i mitten där en spegel saknas. Kredit:Chiles et al.
Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST), Massachusetts Institute of Technology (MIT) och Perimeter Institute satte nyligen nya begränsningar för mörka fotoner, som är hypotetiska partiklar och kända kandidater för mörk materia. Deras resultat, presenterade i en artikel publicerad i Physical Review Letters , uppnåddes med hjälp av en ny supraledande nanotråd-singelfotondetektor (SNPD) som de utvecklade.
"Det finns ett nära samarbete mellan våra forskargrupper vid NIST och MIT, som drivs av Dr. Sae Woo Nam respektive Prof. Karl Berggren", säger Jeff Chiles, en av forskarna som genomförde studien, till Phys.org. "Vi arbetar tillsammans för att utveckla tekniken och applikationerna för ultrakänsliga enheter som kallas supraledande nanotrådsdetektorer med enkelfoton eller SNSPD."
Under de senaste åren har Chiles och hans kollegor övervägt potentiella applikationer som skulle dra nytta av de SNSPD-detektorer som de har arbetat med, som praktiskt taget inte har något bakgrundsljud bland andra fördelaktiga egenskaper. De introducerades så småningom för en grupp teoretiska fysiker från Perimeter Institute for Theoretical Physics i Kanada.
Detta team av teoretiker hade en intressant idé för en detektor för mörk materia som kunde fungera i en helt annan domän än de som för närvarande är anställda i sökningar av mörk materia. Denna detektor, nämligen ett flerskikts dielektriskt optiskt haloskop, var ett mycket lovande koncept, men det skulle kräva en optisk detektor som skulle kunna prestera mycket bättre än de på marknaden idag.
"Detta visade sig vara den perfekta matchningen, eftersom MIT- och NIST-grupperna kunde bygga detektorn och apparaten och testa det", förklarade Chiles. "Så, vi slog oss ihop och kallade vårt projekt LAMPOST (Light A' Multilayer Periodic Optical SNSPD Target). Vårt mål var att uppnå det första experimentella proof-of-concept för denna idé och bevisa att den kunde användas för att söka efter mörk materia med bättre känslighet än de redan fastställda gränserna."
Den optiska detektorn som utvecklats av Chiles och hans kollegor är baserad på en struktur som kallas en dielektrisk stack eller mål. Denna struktur kan generera signalfotoner av intresse genom att omvandla en icke-relativistisk mörk foton till en relativistisk foton med samma frekvens.
Nya begränsningar för mörk foton DM med massa och kinetisk blandning. Den magentafärgade regionen visar dem en gräns på 90 % som satts av vårt experiment. Den tunna lila kurvan motsvarar räckvidden för ett motsvarande experiment med en förbättrad SDE på 90 %. Befintliga gränser för mörk foton DM från FUNK-, SENSEI- och Xenon10-experimenten och från icke-detektion av sol-mörka fotoner av Xenon1T visas i grått. Kredit:Chiles et al.
"Först utförde vi analys av konstruktionen av apparaten, optiska simuleringar för att bestämma den optiska insamlingseffektiviteten, simulering av detekteringseffektiviteten, beräkning av polarisationens inverkan på mörk materiasignalen och den lägsta signaleffekten som är kompatibel med den ev. en rad målegenskaper, säger Ilya Charaev, en annan forskare som är involverad i studien, till Phys.org. "Med SNSPD-tekniken registrerades alla inkommande signaler under en 180-timmars exponering."
För att sätta en gräns för kopplingen av mörk materia uppskattade forskarna mörkräkningshastigheten, även kallad "brus" för SNSPD-detektorn de utvecklade. Intressant nog är deras uppskattade brusvärde det lägsta av alla värden som rapporterats i fysiklitteraturen.
"Särskilt, vi lyckades med vårt mål, eftersom vi kunde skanna efter en typ av mörk materia, specifikt "mörka fotoner", dubbelt så känsligt som allt annat i energiområdet som vi sökte," sa Chiles. "I det stora perspektivet är detta fortfarande ett litet snäpp av ett stort antal möjligheter för mörk materia. Men för vår första körning att överskrida befintliga gränser är ett viktigt första steg, och för mig talar detta om kraften och enkelheten hos flerskikts-dielektriska optiska haloskopmetoden."
I sina experiment samlade detta team av forskare värdefull insikt som kan informera framtida sökningar efter mörka fotoner, samtidigt som de potentiellt uppmuntrar användningen av SNSPD. Förutom att sätta nya begränsningar för mörka fotoner, lärde sig faktiskt Chiles och hans kollegor mer om deras detektors kapacitet.
Framför allt fann de att bruset i deras detektor var otroligt lågt. Mer specifikt observerade teamet bara 5 "falska händelser" för en av deras singelfotondetektorer över 180 timmars datainsamling, vilket tyder på att deras teknik är mycket känslig för svaga signaler.
"Det är spännande att tänka på vilka andra fysikexperiment med sällsynta händelser denna teknik kan tillämpas på inom en snar framtid," tillade Chiles. "Under tiden planerar vi att skala upp experimentet härifrån. Den första körningen var en proof-of-concept, men nästa kommer att vara tillräckligt känslig för att täcka ett stort parameterutrymme för mörk materia, som kommer att inkludera både axioner och mörka fotoner ." + Utforska vidare
© 2022 Science X Network
