|
Коллаборация BREAD занимается поиском темных фотонов
|
|
|
|
По прогнозам, примерно 80% вещества во Вселенной составляет так называемая "темная материя", которая не излучает, не отражает и не поглощает свет и, следовательно, не может быть непосредственно обнаружена с помощью обычных экспериментальных методов. Хотя существование темной материи в настоящее время хорошо задокументировано, астрофизики во всем мире все еще пытаются разработать эффективные методы ее обнаружения и подтверждения ее состава. Эксперимент с широкополосным отражателем для обнаружения аксионов (BREAD), недавно начатый исследовательский проект, проводимый физиками из Чикагского университета и Лаборатории ускорителей Ферми, представил новый подход к поиску кандидатов в легкую темную материю, включая темные фотоны и аксионы. Метод, предложенный коллаборацией BREAD и описанный в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, предполагает использование коаксиальной антенны-тарелки для приема сигналов, которые могут быть связаны с этими частицами.
|
|
|
|
"Мы знаем, что вокруг нас существует некая форма материи, которая взаимодействует очень слабо и не излучает, но мы не знаем, из чего она сделана", - сказал Стефан Книрк, автор-корреспондент the BREAD Collaboration Phys.org. "За последние несколько десятилетий было приложено много усилий для поиска новых фундаментальных частиц с массой, подобной массе протона, но без особого успеха. Поэтому мы обращаемся к другим очень перспективным кандидатам: темному фотону и аксиону". Предполагается, что темные фотоны и аксионы примерно в 1 трлн раз легче протонов, поэтому для их обнаружения потребуются совсем другие технологии. Хотя сотрудничество BREAD все еще находится в зачаточном состоянии, оно представило одну новую технологию, предназначенную для поиска этих более легких частиц. Цель недавнего исследования, проведенного Книрком и его коллегами, состояла в том, чтобы начать тестирование этой технологии в ходе первоначального мелкомасштабного эксперимента.
|
|
|
"Идея, лежащая в основе нашей работы, заключается в том, что если аксион (или, в случае этой статьи, темный фотон) темной материи существует, то он может превращаться в частицы света (фотоны) на металлической стенке", - объяснил Книрк. "Фотоны испускаются перпендикулярно стенке. "В BREAD внешний цилиндр соответствует этой стене. Затем весь этот свет фокусируется на небольшом пятне, где вы можете разместить датчик света или антенну для поиска сигнала. В BREAD за фокусировку отвечает комбинация внутреннего каплевидного отражателя и внешнего цилиндра." Чтобы сделать установку чувствительной к аксионной темной материи, коллаборация BREAD могла бы также добавить магнитное поле, параллельное металлической стенке, в будущей версии эксперимента. Уникальной характеристикой нового детектора является то, что он может устанавливаться на очень большие (в масштабе м) электромагнитные магниты с высоким напряжением (мульти-Тесла).
|
|
|
|
"В этом первом эксперименте мы сосредоточились на обнаружении "света" в микроволновом режиме, аналогичном тем микроволнам, которые используются при разогреве пищи дома", - сказал Книрк. "С этой целью мы разработали специальную микроволновую антенну в фокальной точке и очень чувствительную схему, позволяющую отслеживать наименьшие мощности, принимаемые антенной. Это позволило использовать передовые разработки в области квантовой электроники, которые ведутся в лаборатории Фермилаб". Коллаборация BREAD провела первый сбор данных прошлым летом, а именно в период с июня по июль 2023 года. Собранные данные включают в себя тепловой шум, улавливаемый антенной в течение этого периода, и некоторый дополнительный шум от усиления. "В пределах этого шума сигнал был бы незначительным превышением, которое мы искали в нашем анализе", - сказал Найрк. "Это похоже на вращение регулятора частоты на радиоприемнике: если на заданной частоте нет радиостанции, вы слышите шум, но когда вы медленно настраиваете его на нужную станцию, вы можете услышать, как сигнал радиостанции начинает преобладать над шумом".
|
|
|
|
В недавней статье, опубликованной Книрком и его коллегами, излагаются результаты их первого поиска темных фотонов с помощью этого нового детектора. Несмотря на то, что они не зафиксировали никакого значимого сигнала, было обнаружено, что их эксперимент примерно в 10 000 раз более чувствителен к мощности сигнала темных фотонов в диапазоне масс от 44 до 52 мкэВ (10,7–12,5 ГГц), чем ранее предложенные методы. "Наша работа демонстрирует потенциал этой концепции и настраивает нас на ее масштабирование и повышение чувствительности в будущем", - сказал Найрк. "Это мотивирует продолжать разработку этой технологии с гораздо большей чувствительностью в гораздо больших диапазонах различных масс темной материи". Коллаборация BREAD надеется, что их новый подход позволит им исследовать наиболее обоснованные модели аксионов и потенциально приведет к их обнаружению, что стало бы огромным прорывом в астрофизике элементарных частиц.
|
|
|
|
В настоящее время исследователи проводят свой эксперимент на 4-тонном магните в Аргоннской национальной лаборатории, чтобы раскрыть его чувствительность к аксионоподобной темной материи. "Мы также создаем новые прототипы, сочетающие концепцию с различными передовыми квантовыми технологиями, чтобы быть чувствительными к одиночным частицам света в фокусе", - добавил Книрк. "В Fermilab мы ожидаем, что вскоре получим еще более мощный магнит, который сделает наши эксперименты намного более чувствительными. "Долгосрочная цель - это крупномасштабная экспериментальная программа с установкой в масштабе ~ 10 метров внутри огромного магнита, позволяющая исследовать наиболее мотивированные модели".
|
|
|
|
Источник
|
