Umwandlung unsichtbarer dunkler Materie in sichtbares Licht

Galaxienhaufen, links, mit sichtbarem Ring aus dunkler Materie, rechts. Bildnachweis: NASA, ESA, MJ Jee und H. Ford (Johns Hopkins University)

Die Erforschung der Dunklen Materie schreitet voran, wobei neue experimentelle Techniken zur Achsenerkennung zum Einsatz kommen und fortschrittliche Technologie und interdisziplinäre Zusammenarbeit genutzt werden, um die Geheimnisse dieser schwer fassbaren Komponente des Universums aufzudecken.

Ein Geist verfolgt unsere Welt. Dies ist in der Astronomie und Kosmologie seit Jahrzehnten bekannt. Anmerkungen Ich schlage es vor etwa 85 % Alle Materie im Universum ist geheimnisvoll und unsichtbar. Diese beiden Eigenschaften spiegeln sich in ihrem Namen wider: Dunkle Materie.

Mehrere Experimente Ihr Ziel ist es, ihre Inhaltsstoffe aufzudecken, doch trotz jahrzehntelanger Forschung sind die Wissenschaftler nicht erfolgreich. Jetzt Unsere neue Erfahrungim Bau in Yale Universität In den Vereinigten Staaten bietet es eine neue Taktik.

Dunkle Materie existiert seit jeher im Universum. Bringen Sie Sterne und Galaxien zusammen. Es ist unsichtbar und subtil und scheint nicht mit Licht oder anderen Arten von Materie zu interagieren. Eigentlich sollte es etwas völlig Neues sein.

Das Standardmodell der Teilchenphysik ist unvollständig, und das ist ein Problem. Wir müssen das Neue suchen Grundlegende Teilchen. Überraschenderweise geben die gleichen Mängel des Standardmodells wertvolle Hinweise darauf, wo sie sich verbergen könnten.

Das Problem mit dem Neutron

Nehmen wir zum Beispiel das Neutron. Es bildet mit dem Proton den Atomkern. Obwohl es im Allgemeinen neutral ist, besagt die Theorie, dass es aus drei geladenen Teilchen besteht, die Quarks genannt werden. Aus diesem Grund erwarten wir, dass einige Teile des Neutrons positiv und andere negativ geladen sind – was bedeutet, dass es das hat, was Physiker ein elektrisches Dipolmoment nennen.

bis jetzt, Viele Versuche Die Messung führte zu derselben Schlussfolgerung: Es ist zu klein, um entdeckt zu werden. Ein weiterer Geist. Wir reden hier nicht von Mängeln der Instrumente, sondern von einem Faktor, der kleiner als ein Teil von zehn Milliarden sein muss. Es ist so klein, dass man sich fragt, ob es überhaupt Null sein könnte.

Aber in der Physik ist der mathematische Nullpunkt immer eine starke Aussage. In den späten 1970er Jahren versuchten die Teilchenphysiker Roberto Picci und Helen Coyne (und später Frank Wilczek und Steven Weinberg) es zu entdecken Theorie und Beweise verstehen.

Sie vermuteten, dass der Parameter wahrscheinlich nicht Null ist. Vielmehr handelt es sich um eine dynamische Größe, die langsam ihre Ladung verliert und sich dann auf Null entwickelt die große Explosion. Theoretische Berechnungen zeigen, dass ein solches Ereignis eine große Anzahl illusorischer Lichtteilchen zurückgelassen haben muss.

Sie werden nach einer Waschmittelmarke „Axionen“ genannt, weil sie das Neutronenproblem „lösen“ können. Und noch mehr. Wenn Axionen zu Beginn des Universums erschaffen wurden, gibt es sie seitdem. Am wichtigsten ist, dass seine Eigenschaften alle erwarteten Elemente der Dunklen Materie definieren. Aus diesen Gründen sind die Hubs zu einem davon geworden Bevorzugte Kandidatenpartikel Für dunkle Materie.

Axionen interagieren nur schwach mit anderen Teilchen. Dies bedeutet jedoch, dass sie immer noch ziemlich viel interagieren werden. Unsichtbare Achsen können sich in gewöhnliche Teilchen verwandeln, darunter – ironischerweise – Photonen, die Essenz des Lichts. Dies kann unter bestimmten Bedingungen passieren, beispielsweise beim Vorhandensein eines Magnetfelds. Das ist ein Glücksfall für Experimentalphysiker.

Experimentelles Design

Viele Experimente Sie versuchen, den Geist von Axion in einer kontrollierten Laborumgebung zu beschwören. Einige von ihnen zielen beispielsweise darauf ab, Licht in eine Achse umzuwandeln und diese Achse dann auf der anderen Seite der Wand in Licht umzuwandeln.

Der derzeit empfindlichste Ansatz zielt mit einem Gerät namens Korona auf den Halo aus dunkler Materie, der die Galaxie (und damit die Erde) durchdringt. Es handelt sich um einen leitenden Hohlraum, der in ein starkes Magnetfeld eingetaucht ist. Ersteres nimmt die uns umgebende dunkle Materie auf (vorausgesetzt, es handelt sich um Axone), während letzteres sie dazu veranlasst, sich in Licht umzuwandeln. Das Ergebnis ist ein elektromagnetisches Signal, das im Hohlraum erscheint und je nach Masse des Axions mit einer charakteristischen Frequenz schwingt.

Das System funktioniert wie ein Funkempfänger. Es muss richtig eingestellt werden, um die interessierende Frequenz abzufangen. In der Praxis werden die Abmessungen des Hohlraums geändert, um unterschiedliche charakteristische Frequenzen zu berücksichtigen. Wenn die Axion- und Hohlraumfrequenzen nicht übereinstimmen, ist das so, als würde man das Radio auf den falschen Kanal einstellen.

Der starke Magnet wird zum Labor der Yale University transportiert. Bildnachweis: Yale University

Welchen Kanal wir suchen, lässt sich leider nicht im Voraus vorhersagen. Wir haben keine andere Wahl, als alle möglichen Frequenzen zu scannen. Es ist, als würde man einen Radiosender in einem Meer aus weißem Rauschen – einer Nadel im Heuhaufen – mit einem alten Radio auswählen, das jedes Mal, wenn wir den Frequenzknopf drehen, größer oder kleiner gemacht werden muss.

Dies sind jedoch nicht die einzigen Herausforderungen. Kosmologie bezieht sich auf Dutzende Gigahertz Als neueste vielversprechende Grenze der Suche nach Axionen. Da höhere Frequenzen kleinere Hohlräume erfordern, wären für die Erkundung dieser Region Hohlräume erforderlich, die zu klein sind, um eine sinnvolle Signalmenge zu erfassen.

Neue Experimente versuchen, alternative Wege zu finden. unser Längsplasmascope-Experiment (Alpha). Es basiert auf einem neuen Konzept der Kavitation Metamaterialien.

Metamaterialien sind Verbundmaterialien mit universellen Eigenschaften, die sich von ihren Bestandteilen unterscheiden – sie sind mehr als die Summe ihrer Teile. Ein mit leitenden Stäben gefüllter Hohlraum erhält eine deutliche Frequenz, als wäre er eine Million Mal kleiner, während sich seine Größe kaum ändert. Das ist genau das, was wir brauchen. Darüber hinaus verfügen die Stangen über ein integriertes, einfach zu verstellendes Verstellsystem.

Wir bauen derzeit das Setup auf, das in einigen Jahren für den Datenempfang bereit sein wird. Die Technologie ist vielversprechend. Seine Entwicklung war das Ergebnis der Zusammenarbeit zwischen Festkörperphysikern, Elektrotechnikern, Teilchenphysikern und sogar Mathematikern.

Auch wenn es weit hergeholt ist, treiben Axionen einen Fortschritt voran, den kein Gespenst jemals beseitigen kann.

Geschrieben von Andrea Gallo Russo, Postdoktorandin für Physik, Universität Stockholm.

Angepasst an einen Artikel, der ursprünglich in veröffentlicht wurde Gespräch.