Axioner, hypotetiske subatomære partikler, der først blev foreslået af teoretiske fysikere i slutningen af 1970’erne, forbliver blandt de mest lovende mørke stofskandidater. Fysikteorier antyder, at interaktionerne mellem disse partikler og regelmæssige stoffer er ekstremt svage, hvilket gør dem meget vanskelige at opdage ved hjælp af konventionelle eksperimentelle opsætninger.
Haystac (HaloScope ved Yale Følsomt over for Axion Cold Dark Matter) Eksperiment er et forskningssamarbejde mellem Yale, Berkeley og Johns Hopkins, der sigter mod at registrere aksioner ved at søge efter de små elektromagnetiske signaler, som de kunne producere inden for et stærkt magnetisk felt.
I en nylig artikel offentliggjort i Fysiske gennemgangsbreveHaystac -samarbejdet har rapporteret resultaterne af den bredeste søgning efter aksioner, der er udført til dato, ved hjælp af en teknik, der kaldes kvantepressing, som er designet til at reducere kvantestøj (dvs. tilfældige udsving, der negativt påvirker deres haloskops målinger).
“Axionen blev introduceret for at forklare manglen på ladningskonjugering og paritet (CP) asymmetri i den stærke kraft, og den originale idé til, hvordan man søger efter aksioner, kom fra Sikivie,” fortalte Reina Maruyama, medforfatter til papiret, til LektieForum. “Steve Lamoreaux har længe arbejdet med det stærke CP -problem, startende fra sit arbejde med at lede efter det permanente elektriske dipolmoment i Mercury -atomer og i neutroner.”
Oprindeligt blev aksioner introduceret af teoretikere Frank Wilczek og Steven Weinberg for at forklare tid-reverseringssymmetri i stærke nukleare kræfter. Til sidst blev de imidlertid også en mulig kandidat til mørkt stof, den undvigende type stof, der kun svagt interagerer med elektromagnetisk stråling og alligevel antages at tage højde for det meste af universets masse.
“Teoretisk set er der en rent nummerparameter (theta, det græske brev), der indstiller niveauet for tidsvendt asymmetri, og det kan i princippet være næsten alt, men dets værdi er under 0,0000000001 (10-10) som primært begrænset af Neutron Electric Dipol-øjeblik, “sagde Steve Lamoreaux, medforfatter til papiret.
“Tids-reversal asymmetri observeres imidlertid i forfaldet af ‘mærkelige’ mesoner, så hvorfor det skal være så lille i atomkraften er et mysterium, der løses af aksionen (i den kollektive forstand). Pierre Sikivie ser ud til at være det første til at værdsætte, at aksionen kunne tjene som en mørk stofkandidatpartikel, fordi det kun interagerer meget med meget templer på eller elektromagnetiske felter.”
Erkendelsen af, at lette aksioner kunne mætte universets densitet, blev næsten samtidig rapporteret af tre forskellige forskningsgrupper. Den første blev ledet af Sikivie og Lou Abbott, den anden af Michael Dine og Willy Fischler, og den tredje af John Preskill, Mark Wise og Frank Wilczek.
Kort efter at have introduceret ideen om, at aksioner kunne være en mørk stof -kandidat, skitserede Sikivie imidlertid også begrebet et “haloskop” galaktisk halo mørkt stof -aksionsdetektor, et instrument, der er afhængig af et mikrobølgehulen placeret i et meget stærkt magnetfelt. Dette magnetfelt skal tilskynde til omdannelse af aksioner til fotoner ved radio- eller mikrobølgefrekvenser, hvilket igen ville muliggøre deres direkte detektion, på trods af at tilknyttede signaler er meget små.
“Femten år siden syntes det for os, at selvom eksperimenterne i Sikivie-typen gjorde, gjorde eksperimenterne gode fremskridt og forbedrede sig i følsomheden i Gigahertz-serien, var det, der var nødvendigt, en Vanguard-indsats for at åbne den højere masseområde mod post-inflationsaksionen,” sagde Karl Van Bibber, medforfatter til papiret. “Haystac-eksperimentet blev udtænkt som en Pathfinder og en innovationstestbed for nye forstærker- og resonatorkoncepter ved stadig højere frekvenser. Dette ville kræve, at vi forbliver et lille, smidigt eksperiment.”
Efterhånden som frekvenserne steg, gjorde de udfordringer, der blev stødt på, når de forsøgte at detektere aksioner med gloroskoper. For eksempel indebærer højere frekvenser også en reduktion i konverteringshulenes volumen og en lavere densitet af aksioner for en given halo -masse pr. Enhedsvolumen.
I fase II af deres eksperiment anvendte forskerne kvantemålingsteknologier og brugte kvantepressing for at forbedre deres følsomhed. Indtil videre er Haystac en af de to eksperimenter over hele verden sammen med den større forskningsindsats Advanced Ligo, der var afhængig af kvantepressing for at øge følsomheden af måleværktøjer.
Haystac-samarbejdet integrerede også eksterne kryogenfrie fortyndingskøleskabe i deres opsætning, som ikke blev anvendt under tidligere axionssøgninger. Både kvantepresning og fortyndingskøleskabe gjorde det muligt for dem at sænke de økonomiske omkostninger, der er forbundet med at bygge deres gloroskop og betjene det.
Mens de ikke opdagede nogen signaler, der kunne knyttes til aksioner, var teamet i stand til at søge i et større parameterrum. I fremtiden planlægger de at fortsætte med at forbedre Haystac -udstyret og fortsætte deres søgning efter Axion Dark Matter, mens de også arbejder på andre Dark Matter -søgninger ved hjælp af gloroskoper og udstyr på Yale.
“Vi har flere ideer til at skubbe eksperimentet til at søge efter aksioner med højere masser, og vi arbejder på flere kvanteteknologiinspirerede ideer til at forbedre detektionsteknikkerne,” sagde Danielle Speller, medforfatter til papiret.
“Alfa-eksperimentet er en naturlig forlængelse, ligesom enkelt fotondetektion med Rydberg-atomer og detektionsforbedring, som vi kalder våbenhvile, beskrevet i dette papir. Våbenhvile er en stærk kvanteforbedringsord Metamateriale-baserede resonatorer, som vi arbejder på. “
Alfa-eksperimentet er et større forskningssamarbejde, der sigter mod at detektere aksioner med signifikant større masser, specifikt i post-inflationsaksionsmassegimet. Dette eksperiment vil stole på et andet instrument kendt som et plasma -gloroskop, der i øjeblikket bygges på Yale.