BREAD-eksperiment sporer mørke fotoner til nye niveauer – Physics World

BREAD-eksperiment sporer mørke fotoner til nye niveauer – Physics World

Tidsstempel: 30. april 2024 kl. 10


Billede, der viser en "Hershey's kiss"-formet struktur, der sender potentielle mørkt stof-signaler til en kobberfarvet detektor placeret ud over punktet på
Mørkedetektor: En gengivelse af BREAD-designet. Den "Hershey's Kiss"-formede struktur sender potentielle mørkt stof-signaler til den kobberfarvede detektor til venstre. Detektoren er kompakt nok til at passe på en bordplade. (Med høflighed: BREAD Collaboration)

En ny detektor designet til at søge efter såkaldte "mørke" fotoner har lagt hidtil usete begrænsninger for, hvor denne type mørkt stof kan findes. Detektoren bruger en koaksial parabolantenne til at fange og tragte fotoner, og dens USA-baserede udviklere siger, at den nemt kan skaleres op og gøres mere følsom i fremtiden.

Aktuelle fysikteorier antyder, at mørkt stof udgør omkring 85% af universets masse. Denne form for stof kan have spillet en vigtig rolle i dannelsen af ​​galakser takket være dens tyngdekraft, men vi har endnu ikke været i stand til at opdage det direkte. Forskere er faktisk ikke sikre på, hvilken form mørkt stof kan tage, eller endda hvor præcist de skal lede efter det. Hovedtilgangen indebærer at bruge detektorer, der søger efter partikler med et bestemt område af masser (eller frekvenser) i håb om, at selvom de intet ser, vil vi i det mindste lære mere om, hvad mørkt stof ikke er.

Søger en bredere gruppe af masser

Forskere ledet af David Miller af University of Chicago , Andrew Sonnenschein af Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) har nu fremsat en lidt anderledes tilgang, der involverer en detektor, der søger over et bredere udvalg af masser, omend med lidt mindre præcision. Kendt som Bredbåndsreflektoreksperiment for Axion Detection (BRØD), leder dette eksperiment efter mørkt stof i form af partikler kendt som axioner og mørke fotoner. Disse partikler er ekstremt lette og kan omdannes til synlige fotoner under visse omstændigheder. For eksempel, når de rammer en metallisk væg, udsendes synlige fotoner i en retning vinkelret på væggen.

BRØD består af et cylindrisk metalrør, der fanger og tragter mørke fotoner, og den ydre del af dette cylindriske rør svarer til væggen, forklarer teammedlem Stefan Knirck, en fysiker hos Fermilab. "Fotonerne er fokuseret på en lille plet, bag hvilken du kan placere en lysdetektor eller antenne for at søge efter et signal," forklarer han. "I BREAD sørger kombinationen af ​​en indre dråbeformet reflektor og den ydre cylinder for fokuseringen."

Meget høj følsomhed i det valgte frekvensområde

Holdet beskriver resultaterne fra eksperimentet i sin nuværende form som "meget lovende", og bemærker, at det viser meget høj følsomhed ved frekvenser fra 10.7 til 12.5 GHz. I dette område overskrider detektoren eksisterende begrænsninger med en faktor på ~100, hvilket placerer den hidtil mest stringente bundet på mørke fotoner ved disse frekvenser.

UChicago/Fermilab-teamet udvikler nu teknologien for at gøre den mere følsom og skalerbar. "På nuværende tidspunkt er eksperimentet kun følsomt over for ganske konstruerede modeller af mørkt stof," siger Knirck, "men i sidste ende kan metoden gøre os i stand til at udforske andre aksionsmodeller."

For at gøre detektoren følsom over for disse andre aksioniske versioner af mørkt stof, bemærker Knirck, at han og hans kolleger bliver nødt til at tilføje et magnetfelt parallelt med væggen. De planlægger at gøre dette ved at placere instrumentet i en meter-skala, højfelts (multi-Tesla) magnetmagnet, og de udfører i øjeblikket forsøg med en 4T-magnet på Argonne National Laboratory.

"Vi bygger også flere prototyper, der kombinerer konceptet med forskellige banebrydende kvanteteknologier for at være følsomme over for enkelte lyspartikler i fokus," fortæller Knirck Fysik verden. ”Hos Fermilab forventer vi snart at modtage en endnu kraftigere magnet, som vil gøre vores eksperimenter meget mere følsomme. Det langsigtede mål er et storstilet forsøgsprogram med et setup på 10 meter skalaen inde i en kæmpe magnet.”

Undersøgelsen er udgivet i Physical Review Letters.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden