Elkezdődik az Axion emberkeresése

Az ADMX detektor sötét anyag részecskéket találhat a következő néhány évben

Az világegyetem tele van sötét anyaggal, de mi az, ami ismeretlen. Az ADMX detektor ezt tisztázhatja. © NASA, ESA, CFHT, CXO, MJ Jee (Kaliforniai Egyetem, Davis) és A. Mahdavi (San Francisco Állami Egyetem)
felolvasta

"Sötét anyag rádió": Az Egyesült Államokban egy új detektor észlelheti a sötét anyag részecskéit a következő néhány évben - ha azok axiók. Ezeket a rendkívül könnyű részecskéket a sötét anyag részecskék potenciális jelöltjeinek tekintik. A most működő ADMX kísérlet az első detektor, amely képes detektálni ezeket a részecskéket. Ha nem talál semmit, akkor a fizikusoknak új hipotéziseket kell kidolgozniuk.

Mintha elbűvölő lenne: Noha a sötét anyag adja a világegyetem tömegének nagy részét, még mindig nem ismert, hogy mely részecskékből áll. Mert ezek láthatatlanok és általában ragaszkodnak ahhoz, hogy csak normál gravitációjukkal lépjenek kölcsönhatásba. Ennek megfelelően nehéz ezeket az egzotikus részecskéket kimutatni. További probléma: a fizikusok még abban sem értenek egyet, hogy a részecskék mely tömegtartományában kell keresniük.

A probléma: Sokáig az úgynevezett "Gyengén kölcsönhatásban lévő masszív részecskék" (WIMP) voltak a legígéretesebb jelöltek a sötét anyag részecskékre. Körülbelül ezerszer nehezebbeknek kell lenniük, mint a protonnak. De eddig még a legérzékenyebb detektorok sem találtak nyomot az ilyen WIMP-kről. Néhány fizikus most egy erősen kölcsönhatásba lépő masszív részecskék (SIMP) elnevezésű változatát javasolja.

Tengelyek érzékelője

De sok kutató által kedvelt jelölt az Axione részecskék, amelyek milliárdszor könnyebbek, mint egy elektron, de annál több. Ennek bizonyítására az amerikai kutatók az utóbbi években kifejlesztettek és felépítettek egy speciális érzékelőt, az Axion Dark Matter Experiment (ADMX) eszközt.

Az ADMX kísérlet alapelve: Amikor az érzékelő üregének frekvenciája illeszkedik, különösen sok tengely fotonokká változik - és ezek kimutathatók. © C. Boutan / PNNL, APS / Alan Stonebraker

Most már készen áll az ADMX detektor: az első mérések bizonyítják, hogy elég érzékeny az axiók észlelésére, ha léteznek ilyenek a következő években. "A felfedezésre bármikor sor kerülhet a következő években" - mondja Aaron Chou a Fermi Nemzeti Gyorsító laboratóriumból, egy detektorral foglalkozó intézetből. "Most kezdődik az axiók keresésének legizgalmasabb ideje."

Mint egy rádióvevő

Az érzékelő az axiósokat szokatlan módon keresi: mivel olyan könnyűek, a részecske ütközések, mint más detektorok, itt nem esnek szóba. Ezért működik az ADMX inkább egy rendkívül érzékeny rádióként. Figyeli a fotonokat, amelyek az axiók erős mágneses mezőben történő átalakításából származnak. Mivel az elmélet szerint az axióknak hullám jellegüknek köszönhetően bizonyos frekvenciákban oszcillálniuk kell.

"Alapvetően az ADMX olyan, mint egy rövidhullámú rádió" - magyarázza Grey Rybka, az ADMX szóvivője, a washingtoni egyetem. "Kivéve, hogy nem tudjuk a keresett rádióállomás frekvenciáját. Tehát hallgatás közben lassan elforgatjuk a frekvenciagombot. Ha a frekvencia megfelelő, akkor ideális esetben egy hangot hallani. "A számítások szerint az axióknak több kilohertz és néhány gigaherc közötti frekvencián kell rezegniük.

Hogyan működik az ADMX, és miért találhat ez az érzékelő axiókat? Washingtoni Egyetem

A zajokat kiküszöbölik

Eddig azonban a detektornak problémája volt: Noha az egész rendszer már csak 0, 1 Kelvinre lehűlt, annyira zajt keltett, hogy az Axion jel elveszne. Most azonban a kutatók a régi tranzisztoron alapuló erősítőket speciális szupravezető kvantum interferencia erősítőkkel (SQUID) cserélték le, jelentősen csökkentve a zajt.

"A kísérlet eredeti verziója évszázadokra telt igénybe az axionmasszák legvalószínűbb tartományának kipróbálására" - magyarázza Gianpaolo Carosi a Lawrence Livermore Nemzeti Laboratóriumból. "A szupravezető detektorokkal néhány év alatt ugyanannak a területnek a beolvasása lehetséges." A kezdeti mérések azt mutatják, hogy az ADMX most elég érzékeny ahhoz, hogy észlelje az axiókat, ha léteznek ilyenek.

"A vadászat kezdő lövés"

"Ez a tengelyek vadászatának kezdője" - mondta Andrew Sonnenschein, az ADMX műveleti vezetője, a Fermilab. "Ha az axiók abban a frekvenciasávban vannak, amelyet a következő néhány évben keresünk, akkor csak idő kérdése, mielőtt megtaláljuk őket." Az ADMX az első és egyetlen detektor, amely eddig felismerte ezeket a részecskéket. Megtalálhatja a sötét anyagot.

Azonban: Ha az ADMX nem talál semmit, akkor ez azt jelenti, hogy az axiók nem léteznek, legalábbis a mai posztulált formában. Ezután a fizikusoknak új jelölteket kell keresniük a sötét anyag részecskéire. (Physical Review Letters, 2018; doi: 10.1103 / PhysRevLett.120.151301)

(Berkeley Kaliforniai Egyetem, Fermi Nemzeti Gyorsító laboratórium, 2018.04.11. - NPO)