I nya studier utforskar forskare nya sätt att jaga mörk materia

I decennier har astronomer och fysiker försökt lösa ett av kosmos djupaste mysterier: omkring 85 % av dess massa saknas. Många astronomiska observationer tyder på att den synliga massan i universum inte är i närheten av tillräckligt för att hålla ihop galaxer och förklara hur materia klumpar ihop sig. Någon sorts osynlig, okänd subatomär partikel som kallas mörk materia måste ge det extra gravitationslimmet.

I underjordiska laboratorier och kl partikelacceleratorer, har forskare letat efter denna mörka materia utan framgång i mer än 30 år. NIST-forskare undersöker nu nya sätt att söka efter de osynliga partiklarna. I en studie, en prototyp för ett mycket större experiment, använde forskare toppmoderna supraledande detektorer för att jaga mörk materia.

Studien har redan satt nya gränser för den möjliga massan av en hypotetisk typ av mörk materia. Ett annat NIST-team har föreslagit att fångade elektroner, som vanligtvis används för att mäta egenskaperna hos vanliga partiklar, också skulle kunna fungera som mycket känsliga detektorer av hypotetiska partiklar av mörk materia om de bär en laddning.

I studien av supraledande detektorer använde NIST-forskarna Jeff Chiles och Sae Woo Nam och deras medarbetare supraledande nanotrådar av volframsilicid endast en tusendel av bredden på ett hårstrå som detektorer för mörk materia.

“Supraledande” hänvisar till en egenskap som vissa material, såsom volframsilicid, har vid ultralåga temperaturer: noll motstånd mot passage av elektrisk ström. System av sådana ledningar, officiellt kända som supraledande nanotrådsdetektorer för singelfoton (SNPD), är extremt känsliga för mycket små mängder energi som överförs av fotoner (ljuspartiklar) och möjligen materiapartiklar.svarta när de kolliderar med detektorerna.

Forskarna använder SNSPD:erna vid en temperatur strax under tröskeln som krävs för att nanotrådarna ska bli supraledande. På så sätt kommer även en liten mängd energi som deponeras av en inkommande partikel att producera tillräckligt med värme för att utveckla elektriskt motstånd i tråden.

När strömflödet genom nanotråden nu är blockerat, färdas ström längs en andra väg ansluten till en elektrisk förstärkare. Strömmen genererar en kort men mätbar spänning – en signal om att en del av nanotråden har värmts upp genom att interagera med en foton eller kanske en partikel av mörk materia.

SNSPD-experimentet bestod av en liten kvadratisk uppsättning av nanotrådar, var och en 140 nanometer (nm eller miljarddels meter) i diameter och placerade 200 nm från varandra, instängda i en ljustät låda. Forskarna lade till en stapel av två typer av isolerande material, utformade för att göra det mer sannolikt att systemet skulle kunna söka upp en typ av hypotetisk mörk materia partikel känd som en mörk foton.

Enligt teoretiska förutsägelser skulle en mörk foton som kolliderar med batteriet sannolikt förinta och generera en vanlig infraröd foton i dess ställe. En lins skulle sedan fokusera fotonen på SNSPD-kretsen, där den kunde interagera med nanotrådarna och detekteras som en spänningssignal.

Det lilla 180-timmarsexperimentet fann inga bevis för mörka fotoner i lågmassaområdet 0,7 till 0,8 elektron-volt/mot² (e VC²⁾, mindre än en halv miljondel av elektronens massa, den lättaste kända stabila partikeln. (Eftersom massorna av subatomära partiklar är alldeles för små för att på ett bekvämt sätt uttryckas i termer av fraktionerade kilogram, använder fysiker Einsteins definition av massa i E=mc² På plats.)

Även om experimentet måste skalas upp med många fler detektorer för att ge en utökad datamängd, är det fortfarande den mest känsliga mörka fotonsökningen som har gjorts hittills i detta massintervall, ett deklarerat Nam. Forskarna, inklusive medarbetare från Massachusetts Institute of Technology, Stanford University, University of Washington, New York University och Flatiron Institute, rapporterade sina resultat i en artikel av Fysisk undersökning bokstäver.

I en andra rapport analyserade några av samma NIST-forskare och deras medarbetare data från den första studien på ett annat sätt. Forskare ignorerade de potentiella effekterna av stapeln av isoleringsmaterial och fokuserade endast på förmågan hos alla typer av mörk materielpartikel att interagera med individuella elektroner i själva nanotrådsdetektorn, antingen genom att sprida en elektron eller genom att absorberas av den.

Även om den var liten, satte denna studie de starkaste gränserna för något experiment hittills – exklusive astrofysisk forskning och studier av solen – på styrkan hos interaktioner mellan elektroner och mörk materia i massintervallet mindre än en miljon eV. Detta gör det troligt att en storskalig version av SNSPD-konfigurationen kan ge ett betydande bidrag till sökandet efter mörk materia, sa Chiles.

Han och hans kollegor vid Hebrew University of Jerusalem, University of California, Santa Cruz, Santa Cruz Institute for Particle Physics vid University of California; och MIT rapporterade denna analys i en artikel i 8 december upplagan av Fysisk undersökning D.

I en tredje studie föreslog en NIST-fysiker och kollegor att enstaka elektroner, elektromagnetiskt begränsade till en liten del av rymden, skulle kunna vara känsliga detektorer av laddade mörka partiklar. I mer än tre decennier har forskare använt en mycket tyngre population av positivt laddade berylliumjoner för att undersöka de elektriska och magnetiska egenskaperna hos vanliga (icke mörka) laddade partiklar.

Elektroner skulle dock vara idealiska detektorer för att detektera mörk materia partiklar om dessa partiklar har den minsta elektriska laddningen. Detta beror på att elektroner har den lägsta massan av någon känd laddad partikel och därför lätt skjuts eller dras av den minsta elektriska störningen, till exempel en partikel med en liten elektrisk laddning som passerar i närheten.

Endast ett fåtal fångade elektroner skulle behövas för att upptäcka laddade mörka materiepartiklar med bara en hundradels laddning av en elektron, säger NIST-fysikern Jake Taylor, fellow vid Joint Quantum Institute och Joint Center for Quantum Information and Computer Science. partnerskap mellan NIST och University of Maryland.

Elektromagnetiskt fångade elektroner skulle kylas till en bråkdel av en grad över absoluta nollpunkten för att begränsa det jitter som finns i partikeln. Taylor, tillsammans med Daniel Carney från Lawrence Berkeley National Laboratory i Kalifornien, Hartmut Haffner från University of California, Berkeley och David C. Moore från Yale University, beskrev sin experimentella design i en Fysiska undersökningsbrev.

Genom att konfigurera fällan så att styrkan på elektronens inneslutning är olika längs varje dimension – längd, bredd och höjd – skulle fällan också kunna ge information om varifrån den mörka materiapartikeln kom.

Men forskare står inför en teknisk utmaning innan de kan använda elektronfångning för att söka efter mörk materia. Fotoner används för att kyla, manipulera och detektera rörelse av fångade joner och elektroner. För berylliumjoner är dessa fotoner, genererade av en laser, inom området för synligt ljus.

Tekniken som tillåter fotoner av synligt ljus att manipulera fångade berylliumjoner är väl etablerad. Däremot har fotonerna som behövs för att detektera rörelsen hos enstaka elektroner mikrovågsenergier, och den nödvändiga detektionstekniken har ännu inte fulländats. Men om intresset för projektet är tillräckligt starkt kan forskare utveckla en elektronfälla som kan upptäcka mörk materia på mindre än fem år, uppskattade Carney.

I en annan studie söker en NIST-forskare och en internationell grupp kollegor bortom jorden för att jaga mörk materia. Ett team som inkluderar Marianna Safronova från University of Delaware och Joint Quantum Institute har föreslagit att en ny generation av atomklockor, installerade på en rymdfarkost som flyger närmare solen än Merkurius bana, skulle kunna söka efter tecken på ultralätt mörk materia .

Denna hypotetiska typ av mörk materia, bunden till en gloria som omger solen, skulle orsaka små variationer i naturens grundläggande konstanter, inklusive elektronens massa och den fina strukturkonstanten.

Ändringar i dessa konstanter skulle ändra frekvensen med vilken atomklockorna vibrerar – den hastighet med vilken de “tickar”. Bland det stora utbudet av atomklockor skulle forskare noggrant välja två som har olika känslighet för förändringar i fundamentala konstanter som drivs av ultralätt mörk materia. Genom att mäta förhållandet mellan de två variabla frekvenserna kunde forskare avslöja närvaron av svart materiaforskarna beräknade.

De beskriver sin analys i en artikel publicerad i naturlig astronomi.

Den här berättelsen återpubliceras med vänligt tillstånd från NIST. Läs originalberättelsen här.