|
Коаксиальная антенна для поиска темной материи
|
|
|
|
Темная материя является одной из величайших загадок современной науки. Мы знаем, что темная материя существует благодаря ее воздействию на другие объекты в космосе, но нам никогда не удавалось увидеть ее непосредственно. И это немаловажно — в настоящее время ученые считают, что он составляет около 85% всей массы Вселенной. Новый эксперимент, проведенный совместно Чикагским университетом и Национальной ускорительной лабораторией имени Ферми, известный как эксперимент по обнаружению аксионов с широкополосным отражателем или BREAD, опубликовал свои первые результаты в области поиска темной материи в исследовании, опубликованном в Physical Review Letters. Хотя они и не обнаружили темную материю, они сузили границы того, где она может находиться, и продемонстрировали уникальный подход, который может ускорить поиск таинственной субстанции при относительно небольших объемах пространства и затратах.
|
|
|
|
"Мы очень рады тому, что нам удалось сделать на данный момент", - сказал доцент UChicago. Профессор Дэвид Миллер, один из руководителей эксперимента вместе с Эндрю Зонненшайном из лаборатории Фермилаб, который изначально разработал концепцию эксперимента. "У этой конструкции есть много практических преимуществ, и мы уже продемонстрировали наилучшую на сегодняшний день чувствительность на частоте 11-12 Гигагерц". "Этот результат является важной вехой в развитии нашей концепции, впервые демонстрирующей мощь нашего подхода", - сказал постдокторант лаборатории Фермилаб и ведущий автор исследования Стефан Книрк, который руководил разработкой и эксплуатацией детектора. "Это здорово - заниматься такой творческой наукой в настольном масштабе, когда небольшая команда может делать все, от постановки эксперимента до анализа данных, и при этом оказывать огромное влияние на современную физику элементарных частиц".
|
|
|
Когда мы осматриваем Вселенную, мы видим, что некая субстанция обладает достаточной гравитацией, чтобы притягивать звезды и галактики и пропускать свет, но ни один телескоп или устройство никогда непосредственно не фиксировали источник — отсюда и название "темная материя". Однако, поскольку никто никогда не видел темную материю, мы даже не знаем точно, как она может выглядеть или даже где именно ее искать. "Мы совершенно уверены, что там что-то есть, но существует множество форм, которые это может принимать", - сказал Миллер. Ученые наметили несколько наиболее вероятных вариантов мест и форм для поиска. Как правило, подход заключается в создании детекторов для очень тщательного поиска одной конкретной области (в данном случае, набора частот), чтобы исключить это. Но группа ученых исследовала другой подход. Их конструкция является "широкополосной", что означает, что они могут выполнять поиск по большему набору возможностей, хотя и с несколько меньшей точностью.
|
|
|
|
"Если вы думаете об этом как о радио, то поиск темной материи подобен настройке диска для поиска одной конкретной радиостанции, за исключением того, что нужно проверить миллион частот", - сказал Миллер. "Наш метод подобен тщательному сканированию 100 000 радиостанций, а не нескольких". Детектор BREAD выполняет поиск определенного набора возможностей. Он создан для поиска темной материи в виде так называемых "аксионов" или "темных фотонов" — частиц с чрезвычайно малыми массами, которые при определенных обстоятельствах могут быть преобразованы в видимый фотон. Таким образом, BREAD состоит из металлической трубки с изогнутой поверхностью, которая улавливает потенциальные фотоны и направляет их к датчику на одном конце. Все это достаточно маленькое, чтобы его можно было обхватить руками, что необычно для экспериментов такого рода. В полномасштабной версии BREAD будет помещен внутрь магнита для создания сильного магнитного поля, которое увеличивает шансы преобразования частиц темной материи в фотоны. Однако для доказательства принципа команда провела эксперимент без магнитов. Участники совместной работы около месяца тестировали прототип устройства в UChicago и анализировали полученные данные.
|
|
|
|
По словам ученых, результаты очень многообещающие, они демонстрируют очень высокую чувствительность на выбранной частоте. Поскольку результаты, опубликованные в Physical Review Letters, были приняты, BREAD был помещен в перепрофилированный магнитно-резонансный томограф в Аргоннской национальной лаборатории и позволяет получать больше данных. В будущем, в Национальной ускорительной лаборатории Ферми, будет использоваться еще более мощный магнит. "Это только первый шаг в серии захватывающих экспериментов, которые мы планируем", - сказал Зонненшайн. "У нас есть много идей по повышению чувствительности нашего аксионного поиска". "В науке все еще так много открытых вопросов и огромное пространство для новых творческих идей по их решению", - сказал Миллер. "Я думаю, что это действительно яркий пример такого рода творческих идей — в данном случае эффективного сотрудничества между небольшими научными подразделениями в университетах и более масштабными научными подразделениями в национальных лабораториях".
|
|
|
|
Прибор BREAD был создан в лаборатории Fermilab в рамках научно-исследовательской программы лаборатории detector, а затем использовался в UChicago, где были собраны данные для этого исследования. UChicago Ph.Работой детектора руководил аспирант Гейб Хосино, а также студенты старших курсов Алекс Лапуэнте и Мира Литтманн. В Аргоннской национальной лаборатории имеется магнитная установка, которая будет использоваться на следующем этапе программы BREAD physics. Другие учреждения, в том числе Национальная ускорительная лаборатория SLAC, Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса, Технологический институт Иллинойса, Массачусетский технологический институт, Лаборатория реактивного движения, Вашингтонский университет, Калифорнийский технологический институт и Университет Иллинойса в Урбана-Шампейне, сотрудничают с UChicago и Fermilab в области исследований и разработок для будущих версий эксперимента.
|
|
|
|
Источник
|
