Seit den 1960er Jahren gibt es durch astrophysikalische und kosmologische Beobachtungen zahlreiche Beweise für die Existenz dunkler Materie, und zum jetzigen Zeitpunkt sind wir sehr zuversichtlich, dass es sie gibt. Es bleibt jedoch die Frage: Woraus besteht die Dunkle Materie eigentlich?
Axions: Eine Zwei-für-Eins-Lösung?
Im Laufe der Jahrzehnte gab es viele Kandidaten für Dunkle Materie, etwa schwach wechselwirkende massive Teilchen (WIMPs), Neutrinos und primordiale Schwarze Löcher. Kandidaten wie WIMPs wurden ursprünglich theoretisiert, weil sie über Eigenschaften verfügen, die Probleme in anderen Bereichen der Physik ansprechen. Ein weiterer Kandidat, der einige heikle physikalische Fragen beantworten könnte, heißt Axion.
Axionen wurden ursprünglich als Lösung einer teilchenphysikalischen Frage namens theoretisiert Starkes CP-Problem, aber Physiker erkannten auch, dass Axionen auf eine Weise erzeugt werden könnten, die den Anforderungen an dunkle Materie genügen würde. Das sind die Teilchen, nach denen die DMRadio-Experimente suchen.
Axion-Erkennungsschemata
Wenn wir neue Theorien in der Teilchenphysik entwickeln, versuchen wir, bestehende Probleme zu lösen, ohne neue zu schaffen. Im Fall von Axionen lösen wir das Strong CP-Problem und stellen gleichzeitig sicher, dass unsere Theorien der speziellen Relativitätstheorie, dem Standardmodell und anderen etablierten Fakten der Physik entsprechen. Von neuen Modellen in der Teilchenphysik wird erwartet, dass sie auf jede erdenkliche Weise mit unseren etablierten Modellen interagieren, solange diese Wechselwirkungen nicht unsere ursprüngliche Theorie zerstören.
Für Axionen bedeutet das, dass sie zwar das Strong CP-Problem lösen, aber auch vertrautere Dinge tun können, die es uns leichter machen könnten, sie zu entdecken; Wenn sie nämlich im Weltraum auf ein Magnetfeld stoßen, können sie manchmal mit diesem interagieren und ein elektrisches Feld erzeugen.
Wenn dieser Prozess stattfindet, können wir uns das elektrische Feld, das das Axion erzeugt, tatsächlich als etwas vorstellen, das wie ein Strom aussieht, der mit einer bestimmten Frequenz schwingt. Da die dunkle Materie natürlich nur eine schwache Wechselwirkung mit allem hat, was wir wissen, ist zu erwarten, dass dieser Strom sehr, sehr klein ist; ungefähr 1016-mal kleiner als das, was man in einer typischen Glühbirne finden würde.
Wie versuchen wir dann eigentlich, diesen Strom zu messen?
Wir stellen Geräte her, die in Resonanz geraten würden, wenn dieser Strom in ihnen wäre – das sind Geräte, die wie Schaltkreise oder metallische Hohlräume aussehen. Wenn Sie beispielsweise eine Gitarrensaite mit Ihren Händen gespannt halten, schwingt sie; Aber wenn man dann diese Saite nimmt und sie auf den Korpus einer Gitarre legt, schwingt der Korpus mit und der Klang wird viel lauter. Ebenso bauen wir Resonatoren, die in vielerlei Hinsicht wie Schaltkreise aussehen und unser (elektromagnetisches) Signal viel lauter machen.
DMRadio
Bei DMRadio arbeiten wir an drei Experimenten, die nach Axionen in unterschiedlichen Frequenzbereichen suchen (mit einigen Überlappungen); Diese Experimente sind DMRadio-50L, DMRadio-m3 und DMRadio-GUT. Die Namen der ersten beiden Experimente beziehen sich auf das ungefähre Volumen des Detektors (50 Liter bzw. ein Kubikmeter), während sich GUT auf große einheitliche Theorien bezieht, die für die Arten von Axionen verantwortlich sein könnten, die das Experiment nachweisen konnte.
Für DMRadio-50L verwenden wir einen Ringmagneten, um das Magnetfeld zu erzeugen (B0 in Abbildung 2), was bedeutet, dass Axionen dann einen oszillierenden Strom erzeugen, der in einer Schleife fließt (Jeff). An diesem Punkt wurde das Problem auf eines der klassischen Elektrodynamik reduziert: Wie können wir einen sehr kleinen Strom erkennen, der im Kreis schwingt?
Um dieses Signal zu messen, wickeln wir zunächst eine supraleitende Hülle um unseren Magneten, auf die die durch Axionen induzierten Ströme fließen können. Dann platzieren wir in der Mitte unserer Ringhülle einen Induktor, der den von Jeff erzeugten magnetischen Fluss aufnimmt. Während dieser Aufbau theoretisch unser Axion-Signal auffangen würde, verstärken wir das Signal, indem wir einen abstimmbaren Kondensator an die Induktivität anschließen; Dadurch wird die Schaltung resonant und abstimmbar. Letztlich Sensoren wie Gleichstrom-SQUIDs oder Hochfrequenz-Quanten-Upconverter, die unsere eigenes Labor produziertnimm das Axionsignal auf.
DMRadio-50L wird derzeit auf dem Stanford-Campus im Keller des Physics and Astrophysics Building zusammengebaut, wo es bald mit der Datenerfassung beginnen wird. Die abgedeckten Frequenzbereiche betragen 5 kHz–5 MHz, was Axionen mit einer Masse von 20 peV/c2–20 neV/c2 entspricht; das heißt, mehr als 20 Billionen Mal leichter als ein Elektron (diese Massen entsprechen dem gelben Bereich in Abbildung 1). Während dies nicht auf die vielversprechendsten Axion-Kandidaten, die sogenannten QCD-Axionen, anspricht, wird es nach Axionen suchen, die noch in keinem anderen Experiment untersucht wurden.
DMRadio-m3 arbeitet zwar unter den gleichen Annahmen, hat aber eine andere Geometrie (Abbildung 3). Anstelle eines Ringmagneten verwenden wir jetzt einen Magnetmagneten, bei dem das Magnetfeld überwiegend vertikal in das Innere des Magneten zeigt – was wiederum bedeutet, dass auch der Axionstrom in die gleiche Richtung zeigt. Anschließend bauen wir einen koaxialen Tonabnehmer, auf dem der magnetische Fluss des Axions Ströme induziert. Anschließend stimmen wir die Resonanz dieser Struktur erneut mit einem Kondensator ab. Dieses Experiment, das im SLAC National Lab gebaut wird, wird nach Axionen mit höherer Masse als DMRadio-50L suchen, nämlich Axionen mit Massen von 20–830 neV/c2 (der grüne Bereich in Abbildung 1), und es wird auch über die Fähigkeit verfügen um QCD-Axionen zu entdecken.
Das dritte Experiment, DMRadio-GUT, ist ein zukünftiges Experiment, das sich noch in der vorläufigen Entwurfsphase befindet. Wir gehen davon aus, dass wir die Erfahrungen, die wir beim Design und Betrieb von DMRadio-50L und DMRadio-m3 sammeln, nutzen werden, um dieses Experiment zu entwerfen, das letztendlich nach QCD-Axionen mit einer Masse von 0,4–120 neV/c2 – also den abgedeckten Massen – suchen wird von DMRadio-50L, jedoch mit deutlich höherer Empfindlichkeit (roter Abschnitt in Abbildung 1).
Diese Experimente werden es uns ermöglichen, nach Axionen an Orten zu suchen, an denen wir noch nie zuvor gesucht haben, und es uns gleichzeitig ermöglichen, neue Quantengeräte zu testen. Ob wir das Axion und die Dunkle Materie finden, ist natürlich unbekannt, aber unabhängig davon werden wir bei der Entwicklung und dem Betrieb unserer DMRadios sicherlich viel lernen.