Około 85% masy naszej galaktyki składa się z ciemnej materii, materii, która nie emituje, nie pochłania ani nie odbija światła, a zatem nie może być bezpośrednio obserwowana. Chociaż kilka badań sugerowało lub teoretyzowało na temat jego składu, pozostaje on jednym z największych nierozwiązanych problemów fizycznych.

Fizycy na całym świecie prowadzą poszukiwania ciemnej materii lub próbują wymyślić nowe metody bezpośredniej obserwacji różnych kandydatów na ciemną materię. Jedną z hipotetycznych postaci ciemnej materii, która jak dotąd wymykała się wykryciu, jest ciemna materia fotonowa.

Intrygującą możliwością jest to, że ciemna materia składa się z ciemnych fotonów, które przypominają fotony (tj. cząsteczki tworzące światło widzialne), ale oddziałują z ładunkami o słabej sile. Te ciemne fotony mogą teoretycznie mieć masy w zakresie milielektrowoltów, około miliona razy lżejsze niż elektrony, a zatem notorycznie trudne do wykrycia.

Naukowcy z Northwestern University, Stanford University i Fermilab wprowadzili niedawno nową metodę, której można użyć do wyszukiwania ciemnych fotonów meV. Ważność metody, opisana w artykule opublikowanym w Listy z przeglądu fizycznegozostało zademonstrowane w krótkiej próbie sprawdzającej zasadę, która pomogła również ustalić nowe ograniczenia dotyczące ciemnej materii fotonowej.

„Pomysł na nasze badanie zrodził się z dyskusji między eksperymentatorami i teoretykami prowadzonymi przez Centrum DOE SQMS” – powiedział Phys.org Gabriel Gabrielse, jeden z badaczy, którzy przeprowadzili badanie. „W Northwestern szukaliśmy zastosowań BSM dla niezwykłego detektora jednoelektronowego, który byłby wolny od tła. Opracowaliśmy nowatorski detektor do pomiaru elektrycznego momentu dipolowego elektronów i przetestowania najdokładniejszej prognozy Modelu Standardowego”.

Po zapoznaniu się z pracami przeprowadzonymi przez Gabrielse’a i jego współpracowników z Northeastern, zespół fizyków teoretycznych ze Stanford zwrócił uwagę na potencjał ich detektora do prowadzenia poszukiwań ciemnych fotonów meV. To zapoczątkowało szereg interakcji i współpracy między dwiema grupami badawczymi, w tym także Roni Harnik, teoretykiem z Fermilab.

Nowa metoda wprowadzona przez naukowców opiera się na wykorzystaniu uwięzionych elektronów jako rezonatorów o wysokiej Q do wykrywania meV ciemnej fotonowej ciemnej materii. Jego podstawowa hipoteza jest taka, że ​​​​gdy energia spoczynkowa ciemnego fotonu odpowiada rozszczepieniu energii dwóch najniższych poziomów cyklotronu, pierwszy stan cyklotronu elektronowego zostanie wzbudzony.

„Jeśli ciemny foton meV wejdzie w pułapkę, w której zawieszony jest pojedynczy elektron, wówczas elektron może zostać wzbudzony ze stanu podstawowego do pierwszego stanu wzbudzonego ruchu cyklotronowego” – wyjaśniła Gabrielse. „Nie ma tła, a pojedyncze wzbudzenie pojedynczego uwięzionego elektronu można wykryć bez dwuznaczności. Brak zaobserwowania takich wzbudzeń przez kilka dni pozwolił nam ustalić ograniczenie siły ciemnego pola fotonowego, które przeszło przez nie, w oparciu o teoretyczne obliczenia wydajności, z jaką ciemny foton mógłby wytworzyć takie wzbudzenie”.

Aby zademonstrować praktyczność proponowanej przez nich metody, Gabrielse i jego współpracownicy wykorzystali ją do zebrania wstępnego pomiaru przy użyciu pojedynczego elektronu. Ta próba wykazała, że ​​ich strategia była pozbawiona tła dla wyszukiwania, które trwało nieco ponad 7 dni.

Naukowcom udało się również ustalić nowy limit ciemnej materii fotonowej, w szczególności na 148 GHz (0,6 meV). W przyszłości ich praca może utorować drogę nowym badaniom mającym na celu ocenę i wykorzystanie proponowanej przez nich strategii do poszukiwania ciemnych fotonów meV.

„Najbardziej godnym uwagi osiągnięciem naszej pracy jest konkretna demonstracja całkowicie nowej metody poszukiwania ciemnej materii meV” – dodała Gabrielse. „Planujemy teraz szeroko zakrojone poszukiwania ciemnych fotonów meV w aparacie do tego przeznaczonym. Aparatura, w której odbył się pomiar demonstracyjny, została zoptymalizowana pod kątem wąskopasmowych pomiarów momentu magnetycznego elektronów, natomiast nowa aparatura i nowe pomysły rozwijają się, umożliwi szerokie wyszukiwanie”.

© 2023 Sieć Science X