Ungefär 80 % av materien i universum förutspås vara så kallad "mörk materia", som inte avger, reflekterar eller absorberar ljus och därför inte kan detekteras direkt med konventionella experimentella tekniker.
Även om förekomsten av mörk materia nu är väldokumenterad, försöker astrofysiker över hela världen fortfarande hitta effektiva metoder för att upptäcka den och bekräfta dess sammansättning.
Broadband Reflector Experiment for Axion Detection (BREAD), ett nyligen etablerat forskningsprojekt som drivs av fysiker vid University of Chicago och Fermi Accelerator Laboratory, introducerade en ny metod för att söka efter kandidater för ljus mörk materia, inklusive mörka fotoner och axioner.
Metoden som föreslås av BREAD Collaboration, beskrivs i en artikel publicerad i Physical Review Letters , innebär användning av en koaxial parabolantenn för att fånga upp signaler som skulle vara associerade med dessa partiklar.
"Vi vet att det finns en form av materia omkring oss som endast interagerar väldigt svagt och som inte strålar ut, men vi vet inte vad den är gjord av", säger Stefan Knirck, motsvarande författare för BREAD Collaboration, till Phys.org.
"Det har varit mycket ansträngning att söka efter nya fundamentala partiklar med en liknande massa än en proton under de senaste decennierna, men med liten framgång. Därför vänder vi oss till andra mycket välmotiverade kandidater:den mörka fotonen och axionen. "
Mörka fotoner och axioner är teoretiserade att vara ungefär 1 biljon gånger lättare än protoner, så deras upptäckt skulle kräva mycket olika teknologier. Medan BREAD-samarbetet fortfarande är i sin linda, introducerade det en ny teknik designad för att söka efter dessa lättare partiklar. Syftet med den nyligen genomförda studien av Knirck och hans kollegor var att börja testa denna teknik i ett första småskaligt experiment.
"Tanken bakom vårt arbete är att om axion (eller i fallet med detta papper, mörk foton) mörk materia existerar, kan den omvandlas till partiklar av ljus (fotoner) på en metallisk vägg," förklarade Knirck. "Fotonerna sänds ut vinkelrätt mot väggen.
"I BREAD motsvarar den yttre cylindern den här väggen. Allt detta ljus fokuseras sedan på en liten fläck där du kan sätta en ljusdetektor eller antenn för att söka efter en signal. I BREAD är kombinationen av den inre droppformade reflektorn och den yttre cylindern sköter fokuseringen."
För att göra upplägget känsligt för axion mörk materia, kan BREAD Collaboration också lägga till ett magnetfält som är parallellt med den metalliska väggen i en framtida version av experimentet. En unik egenskap hos den nya detektorn är att den kan passa i mycket stora (m-skala) högfältsmagneter (multi-Tesla).
"I det här första experimentet fokuserade vi på att upptäcka "ljus" i mikrovågsregimen, liknande de mikrovågor som används när du värmer upp mat hemma," sa Knirck. "För detta ändamål designade vi en anpassad mikrovågsantenn vid brännpunkten och ett mycket känsligt schema för att se de minsta krafterna som mottas av antennen. Detta utnyttjade den ledande kvantelektronikutvecklingen som pågår på Fermilab."
BREAD Collaboration samlade in sin första omgång data förra sommaren, särskilt mellan juni och juli 2023. Datan de samlade in inkluderar det termiska bruset som fångas upp av antennen under denna period och lite extra brus från förstärkning.
"Inom detta brus skulle en signal vara ett litet överskott, vilket vi sökte efter i vår analys," sa Knirck. "Detta liknar att vrida på frekvensratten på en radio:Om det inte finns någon station på en given frekvens hör du brus, men när du långsamt ställer in den på en station kan du höra signalen från stationen som börjar dominera över bruset ."
Den senaste tidningen publicerad av Knirck och hans medarbetare beskriver resultaten av deras första sökning efter mörka fotoner med denna nya detektor. Även om de inte tog upp någon relevant signal, visade sig deras experiment vara cirka 10 000 gånger känsligare för den mörka fotonsignalstyrkan inom en massa som sträcker sig från 44 till 52 μeV (10,7–12,5 GHz) än tidigare föreslagna metoder.
"Vårt arbete visar potentialen i detta koncept och sätter oss i stånd att skala upp det och göra det mycket mer känsligt i framtiden," sa Knirck. "Detta motiverar att fortsätta utveckla den här tekniken med mycket bättre känslighet över mycket större intervall av olika mörk materiemassor."
BREAD Collaboration hoppas att deras nyutvecklade tillvägagångssätt kommer att göra det möjligt för dem
utforska de mest välmotiverade axionsmodellerna och potentiellt leda till att de upptäcks, vilket skulle vara ett enormt genombrott inom partikelastrofysik.
Forskarna kör nu sitt experiment i en 4T-magnet vid Argonne National Laboratory, för att låsa upp dess känslighet för axionliknande mörk materia.
"Vi bygger också fler prototyper som kombinerar konceptet med olika banbrytande kvantteknologier för att vara känsliga för enskilda ljuspartiklar i fokus," tillade Knirck. "På Fermilab förväntar vi oss snart att få en ännu kraftfullare magnet som kommer att göra våra experiment mycket känsligare.
"Det långsiktiga målet är ett storskaligt experimentellt program med en uppställning på ~10m skala inuti en enorm magnet som gör det möjligt att utforska de bäst motiverade modellerna."
Mer information: Stefan Knirck et al, Första resultaten från en bredbandssökning efter mörk foton mörk materia i intervallet 44 till 52 μeV med en koaxial parabolantenn, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.131004
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
© 2024 Science X Network
