Нове дослідження використовує коаксіальну антену для пошуку темної матерії

Однією з найбільших загадок сучасної науки є темна матерія. Ми знаємо, що темна матерія існує завдяки її впливу на інші об’єкти в космосі, але ми ніколи не могли її побачити безпосередньо. І це не дрібниця — наразі вчені вважають, що вона становить приблизно 85% усієї маси у Всесвіті.

Новий експеримент, проведений у співпраці під керівництвом Університету Чикаго та Національної прискорювальної лабораторії Фермі, відомий як Експеримент широкосмугового рефлектора для виявлення аксіонів або BREAD, опублікував свої перші результати з пошуку темної матерії в дослідженні, опублікованому в Physical Review Letters. Хоча вони не знайшли темної матерії, вони звузили обмеження щодо того, де вона може бути, і продемонстрували унікальний підхід, який може прискорити пошуки таємничої речовини за відносно невеликий простір і вартість.

«Ми дуже раді тому, що нам вдалося зробити на цей час», — сказав доцент UChicago Assoc. Професор Девід Міллер, співкерівник експерименту разом з Ендрю Зонненшайном із Fermilab, який спочатку розробив концепцію експерименту. «Ця конструкція має багато практичних переваг, і ми вже показали найкращу чутливість на сьогодні на частоті 11-12 гігагерц».

«Цей результат є важливою віхою для нашої концепції, яка вперше демонструє силу нашого підходу», — сказав докторант Fermilab і провідний автор дослідження Стефан Кнірк, який очолював конструкцію та роботу детектора. «Це чудово займатися такою творчою настільною наукою, де невелика команда може робити все, від побудови експерименту до аналізу даних, але все ще мати великий вплив на сучасну фізику елементарних частинок».

«Щось є»

Коли ми оглядаємо Всесвіт, ми можемо побачити, що якась речовина має достатню силу тяжіння, щоб тягнути зірки та галактики та пропускати світло, але жоден телескоп чи пристрій ніколи не вловлювали джерело безпосередньо — звідси й назва «темна матерія».

Однак, оскільки ніхто ніколи не бачив темної матерії, ми навіть не знаємо точно, як вона може виглядати і навіть де її шукати. «Ми дуже впевнені, що щось є, але це може прийняти багато, багато форм», — сказав Міллер. Вчені намітили кілька найімовірніших варіантів місць і форм для пошуку. Як правило, підхід полягав у створенні детекторів для дуже ретельного пошуку однієї конкретної області (у цьому випадку набору частот), щоб виключити її.

Але група вчених дослідила інший підхід. Їх дизайн є «широкосмуговим», що означає, що він може шукати більший набір можливостей, хоча й з трохи меншою точністю.

«Якщо ви думаєте про це як про радіо, пошук темної матерії схожий на налаштування циферблата на пошук однієї конкретної радіостанції, за винятком того, що є мільйон частот, які потрібно перевірити», — сказав Міллер. «Наш метод схожий на сканування 100 000 радіостанцій, а не кілька дуже ретельно».

Доказ концепції

Детектор ХЛІБА шукає певну підмножину можливостей. Він створений для пошуку темної матерії у формі так званих «аксіонів» або «темних фотонів» — частинок із надзвичайно малою масою, які за відповідних обставин можна перетворити на видимий фотон.

Таким чином, BREAD складається з металевої трубки, що містить вигнуту поверхню, яка вловлює та спрямовує потенційні фотони до датчика на одному кінці. Весь предмет досить малий, щоб поміститися в руки, що незвично для таких експериментів. У повномасштабній версії BREAD буде розміщено всередині магніту для створення сильного магнітного поля, яке збільшує шанси перетворити частинки темної матерії на фотони.

Однак для доказу принципу команда провела експеримент без магнітів. Співпраця запустила прототип пристрою в UChicago близько місяця та проаналізувала дані. Результати дуже багатообіцяючі, показуючи дуже високу чутливість у вибраній частоті, кажуть вчені.

Оскільки результати, опубліковані в Physical Review Letters, були прийняті, BREAD було переміщено всередину переробленого магніту МРТ в Аргоннській національній лабораторії та збирає більше даних. Його майбутній будинок, Національна прискорювальна лабораторія Фермі, буде використовувати ще сильніший магніт.

«Це лише перший крок у серії захоплюючих експериментів, які ми плануємо», — сказав Зонненшайн. «У нас є багато ідей щодо покращення чутливості нашого пошуку аксіонів».

«У науці все ще залишається багато відкритих питань і величезний простір для нових творчих ідей для вирішення цих питань», — сказав Міллер. «Я вважаю, що це справді яскравий приклад таких творчих ідей — у цьому випадку це ефективне співробітництво між маломасштабною наукою в університетах і більшою наукою в національних лабораторіях».

Інструмент BREAD був створений у Fermilab у рамках програми досліджень і розробок детекторів лабораторії, а потім використовувався в Університеті Чикаго, де збиралися дані для цього дослідження. Аспірант університету Чикаго Гейб Хошіно керував роботою детектора разом зі студентами бакалаврату Алексом Лапуенте та Мірою Літманн.

Аргонська національна лабораторія підтримує магнітне обладнання, яке використовуватиметься для наступного етапу фізичної програми BREAD. Інші установи, зокрема Національна прискорювальна лабораторія SLAC, Ліверморська національна лабораторія, Іллінойський технологічний інститут, Массачусетський технологічний інститут, Лабораторія реактивного руху, Вашингтонський університет, Каліфорнійський технологічний інститут та Іллінойський університет в Урбана-Шампейн, співпрацюють з UChicago та Fermilab над R&D для майбутніх версій експерименту.