Het omzetten van onzichtbare donkere materie in zichtbaar licht

Cluster van sterrenstelsels, links, met rechts een ring van donkere materie zichtbaar. Afbeelding tegoed: NASA, ESA, MJ Jee en H. Ford (Johns Hopkins Universiteit)

Onderzoek naar donkere materie vordert met behulp van nieuwe experimentele technieken die zijn ontworpen om assen te detecteren, en gebruik te maken van geavanceerde technologie en interdisciplinaire samenwerking om de geheimen van dit ongrijpbare onderdeel van het universum te onthullen.

Een geest achtervolgt onze wereld. Dit is in de astronomie en kosmologie al tientallen jaren bekend. Opmerkingen Ik stel het voor ongeveer 85% Alle materie in het universum is mysterieus en onzichtbaar. Deze twee eigenschappen worden weerspiegeld in de naam: donkere materie.

Verschillende experimenten Ze streven ernaar hun ingrediënten te ontdekken, maar ondanks tientallen jaren van onderzoek zijn wetenschappers tekortgeschoten. nu Onze nieuwe ervaringin aanbouw in Yale universiteit In de Verenigde Staten biedt het een nieuwe tactiek.

Donkere materie bestaat al sinds het begin der tijden in het heelal. Trek sterren en sterrenstelsels samen. Het is onzichtbaar en subtiel en lijkt geen wisselwerking te hebben met licht of enig ander soort materie. Eigenlijk zou het iets compleet nieuws moeten zijn.

Het standaardmodel van de deeltjesfysica is onvolledig, en dat is een probleem. We moeten op zoek gaan naar het nieuwe Fundamentele deeltjes. Verrassend genoeg geven dezelfde tekortkomingen van het standaardmodel waardevolle aanwijzingen over waar ze zich mogelijk verbergen.

Het probleem met het neutron

Neem bijvoorbeeld het neutron. Het vormt de atoomkern met het proton. Hoewel het over het algemeen neutraal is, stelt de theorie dat het bestaat uit drie geladen deeltjes die quarks worden genoemd. Om deze reden verwachten we dat sommige delen van het neutron positief geladen zijn en andere negatief – wat betekent dat het wat natuurkundigen een elektrisch dipoolmoment noemen had.

Tot nu, Veel pogingen Het meten ervan leidde tot dezelfde conclusie: het is te klein om ontdekt te worden. Nog een geest. We hebben het niet over tekortkomingen in de instrumenten, maar over een factor die kleiner moet zijn dan een deel op de tien miljard. Het is zo klein dat mensen zich afvragen of het helemaal nul kan zijn.

Maar in de natuurkunde is het wiskundige nulpunt altijd een krachtig statement. Eind jaren zeventig probeerden deeltjesfysici Roberto Picci en Helen Coyne (en later Frank Wilczek en Steven Weinberg) te ontdekken Theorie en bewijs begrijpen.

Ze suggereerden dat de parameter waarschijnlijk niet nul is. Het is eerder een dynamische grootheid die langzaam zijn lading verliest en vervolgens naar nul evolueert de grote explosie. Theoretische berekeningen laten zien dat als een dergelijke gebeurtenis heeft plaatsgevonden, deze een groot aantal illusoire lichtdeeltjes moet hebben achtergelaten.

Ze worden 'axions' genoemd, naar een merk wasmiddel, omdat ze het neutronenprobleem kunnen 'oplossen'. En nog meer. Als axions aan het begin van het universum zijn gemaakt, zijn ze er sindsdien altijd geweest. Het belangrijkste is dat de eigenschappen ervan alle verwachte elementen van donkere materie definiëren. Om deze redenen zijn hubs er een van geworden Voorkeurskandidaatdeeltjes Voor donkere materie.

Axionen zullen slechts zwak interageren met andere deeltjes. Dit betekent echter dat ze nog steeds behoorlijk met elkaar zullen communiceren. Onzichtbare assen kunnen transformeren in gewone deeltjes, waaronder – ironisch genoeg – fotonen, de essentie van licht. Dit kan gebeuren onder bepaalde omstandigheden, zoals de aanwezigheid van een magnetisch veld. Dit is een geschenk uit de hemel voor experimentele natuurkundigen.

Experimenteel ontwerp

Veel experimenten Ze proberen de geest van Axion op te roepen in een gecontroleerde laboratoriumomgeving. Sommigen van hen zijn bijvoorbeeld bedoeld om licht in een as om te zetten, en vervolgens de as aan de andere kant van de muur in licht om te zetten.

Momenteel richt de meest gevoelige benadering zich op de halo van donkere materie die de Melkweg (en dus de aarde) doordringt met behulp van een apparaat dat corona wordt genoemd. Het is een geleidende holte ondergedompeld in een sterk magnetisch veld. De eerste pikt de donkere materie om ons heen op (ervan uitgaande dat het axonen zijn), terwijl de laatste ervoor zorgt dat deze in licht verandert. Het resultaat is een elektromagnetisch signaal dat in de holte verschijnt en oscilleert met een karakteristieke frequentie, afhankelijk van de massa van de axion.

Het systeem werkt als een radio-ontvanger. Het moet op de juiste manier worden aangepast om de frequentie van interesse te onderscheppen. In de praktijk worden de afmetingen van de holte gewijzigd om verschillende karakteristieke frequenties mogelijk te maken. Als de axion- en holtefrequenties niet overeenkomen, is het alsof de radio op het verkeerde kanaal is afgestemd.

De krachtige magneet wordt naar het laboratorium van Yale University getransporteerd. Krediet: Yale Universiteit

Helaas is de zender die we zoeken niet op voorhand te voorspellen. We hebben geen andere keuze dan alle mogelijke frequenties te scannen. Het is alsof je een radiostation selecteert in een zee van witte ruis – een speld in een hooiberg – met een oude radio die elke keer dat we aan de frequentieknop draaien groter of kleiner gemaakt moet worden.

Dit zijn echter niet de enige uitdagingen. Kosmologie verwijst naar Tientallen gigahertz Als de nieuwste veelbelovende grens van de zoektocht naar axionen. Omdat hogere frequenties kleinere holtes vereisen, zou het verkennen van dat gebied holtes vereisen die te klein zijn om een ​​betekenisvolle hoeveelheid signaal op te vangen.

Nieuwe experimenten proberen alternatieve paden te vinden. ons Longitudinaal plasmascoopexperiment (Alpha). Het maakt gebruik van een nieuw concept van cavitatie, gebaseerd op metamaterialen.

Metamaterialen zijn composietmaterialen met universele eigenschappen die verschillen van hun componenten: ze zijn meer dan de som der delen. Een holte gevuld met geleidende staven heeft een karakteristieke frequentie alsof deze een miljoen keer kleiner is, terwijl de grootte nauwelijks verandert. Dit is precies wat we nodig hebben. Bovendien bieden de staven een ingebouwd, eenvoudig aan te passen verstelsysteem.

We bouwen momenteel aan de opstelling, die over een paar jaar klaar zal zijn om gegevens te ontvangen. De technologie is veelbelovend. De ontwikkeling ervan was het resultaat van samenwerking tussen vastestoffysici, elektrotechnici, deeltjesfysici en zelfs wiskundigen.

Hoewel vergezocht, voeden axions vooruitgang die geen enkel spook ooit zal kunnen elimineren.

Geschreven door Andrea Gallo Russo, postdoctoraal onderzoeker in de natuurkunde, Universiteit van Stockholm.

Aangepast van een artikel oorspronkelijk gepubliceerd in Gesprek.