Die BREAD-Kollaboration sucht mit einer koaxialen Parabolantenne nach dunklen Photonen

Schätzungen zufolge handelt es sich bei etwa 80 % der Materie im Universum um sogenannte „Dunkle Materie“, die kein Licht aussendet, reflektiert oder absorbiert und daher mit herkömmlichen experimentellen Techniken nicht direkt nachgewiesen werden kann.

Während die Existenz dunkler Materie inzwischen gut dokumentiert ist, versuchen Astrophysiker weltweit immer noch, wirksame Methoden zu entwickeln, um sie zu entdecken und ihre Zusammensetzung zu bestätigen.

Das Broadband Reflector Experiment for Axion Detection (BREAD), ein kürzlich ins Leben gerufenes Forschungsprojekt von Physikern der University of Chicago und des Fermi Accelerator Laboratory, führte einen neuen Ansatz zur Suche nach Kandidaten für helle dunkle Materie ein, darunter dunkle Photonen und Axionen.

Die von der BREAD Collaboration vorgeschlagene Methode, beschrieben in einem Papier veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Untersuchungerfordert die Verwendung einer koaxialen Parabolantenne, um Signale zu empfangen, die mit diesen Partikeln in Zusammenhang stehen würden.

„Wir wissen, dass es um uns herum eine Form von Materie gibt, die nur sehr schwach interagiert und nicht strahlt, aber wir wissen nicht, woraus sie besteht“, sagte Stefan Knirck, korrespondierender Autor der BREAD-Kollaboration, gegenüber Phys.org.

„In den letzten Jahrzehnten wurden viele Anstrengungen unternommen, um nach neuen Elementarteilchen mit einer ähnlichen Masse wie ein Proton zu suchen, aber mit wenig Erfolg. Deshalb wenden wir uns anderen sehr gut motivierten Kandidaten zu: dem dunklen Photon und dem Axion.“ „

Dunkle Photonen und Axionen sind theoretisch etwa eine Billion Mal leichter als Protonen, daher würde ihr Nachweis sehr unterschiedliche Technologien erfordern. Während die BREAD-Zusammenarbeit noch in den Kinderschuhen steckt, wurde eine neue Technologie eingeführt, die auf die Suche nach diesen leichteren Partikeln ausgerichtet ist. Ziel der aktuellen Studie von Knirck und seinen Kollegen war es, diese Technologie in einem ersten kleinen Experiment zu testen.

„Die Idee hinter unserer Arbeit ist, dass, wenn Axion (oder im Fall dieser Arbeit dunkles Photon) dunkle Materie existiert, sie sich auf einer metallischen Wand in Lichtteilchen (Photonen) umwandeln kann“, erklärte Knirck. „Die Photonen werden senkrecht zur Wand emittiert.

„Bei BREAD entspricht der äußere Zylinder dieser Wand. Das gesamte Licht wird dann auf einen kleinen Punkt fokussiert, an dem Sie einen Lichtdetektor oder eine Antenne anbringen können, um nach einem Signal zu suchen. Bei BREAD ist die Kombination aus dem inneren tropfenförmigen Reflektor und Der äußere Zylinder übernimmt die Fokussierung.“

Um den Aufbau für Axion-Dunkle Materie empfindlich zu machen, könnte die BREAD-Kollaboration in einer zukünftigen Version des Experiments auch ein Magnetfeld hinzufügen, das parallel zur Metallwand verläuft. Ein einzigartiges Merkmal des neuen Detektors besteht darin, dass er in sehr große (m-Maßstab) Hochfeldmagnete (Multi-Tesla) passt.

„In diesem ersten Experiment haben wir uns auf die Erkennung von ‚Licht‘ im Mikrowellenbereich konzentriert, ähnlich den Mikrowellen, die beim Aufwärmen von Speisen zu Hause verwendet werden“, sagte Knirck. „Zu diesem Zweck haben wir eine kundenspezifische Mikrowellenantenne am Brennpunkt und ein sehr empfindliches Schema entwickelt, um die kleinsten von der Antenne empfangenen Leistungen zu erkennen. Dies nutzte die führende Quantenelektronikentwicklung, die am Fermilab läuft.“

Die BREAD-Kollaboration hat ihre erste Datenrunde letzten Sommer gesammelt, und zwar zwischen Juni und Juli 2023. Die gesammelten Daten umfassen das von der Antenne in diesem Zeitraum aufgenommene thermische Rauschen und etwas zusätzliches Rauschen durch die Verstärkung.

„Innerhalb dieses Rauschens wäre ein Signal ein winziger Überschuss, nach dem wir in unserer Analyse gesucht haben“, sagte Knirck. „Das ist vergleichbar mit dem Drehen des Frequenzknopfs an einem Radio: Wenn es auf einer bestimmten Frequenz keinen Sender gibt, hört man Rauschen, aber wenn man ihn langsam auf einen Sender einstellt, kann man hören, wie das Signal des Senders beginnt, das Rauschen zu dominieren.“ .“

Der kürzlich von Knirck und seinen Mitarbeitern veröffentlichte Artikel beschreibt die Ergebnisse ihrer ersten Suche nach dunklen Photonen mit diesem neuen Detektor. Obwohl sie kein relevantes Signal empfingen, zeigte sich, dass ihr Experiment rund 10.000-mal empfindlicher auf die Signalleistung des dunklen Photons innerhalb eines Massenbereichs von 44 bis 52 μeV (10,7–12,5 GHz) reagierte als zuvor vorgeschlagene Methoden.

„Unsere Arbeit zeigt das Potenzial dieses Konzepts und versetzt uns in die Lage, es in Zukunft zu skalieren und viel sensibler zu machen“, sagte Knirck. „Dies motiviert dazu, diese Technologie mit einer viel besseren Empfindlichkeit über viel größere Bereiche unterschiedlicher Massen der Dunklen Materie weiterzuentwickeln.“

Die BREAD-Kollaboration hofft, dass ihr neu entwickelter Ansatz dies ermöglicht
Erforschung der am besten motivierten Axionmodelle und möglicherweise zu ihrer Entdeckung führen, was einen großen Durchbruch in der Teilchenastrophysik bedeuten würde.

Die Forscher führen ihr Experiment derzeit in einem 4T-Magneten im Argonne National Laboratory durch, um dessen Empfindlichkeit gegenüber axionähnlicher Dunkler Materie zu entschlüsseln.

„Wir bauen außerdem weitere Prototypen, die das Konzept mit verschiedenen hochmodernen Quantentechnologien kombinieren, um auf einzelne Lichtteilchen im Fokus zu reagieren“, fügte Knirck hinzu. „Bei Fermilab erwarten wir bald einen noch stärkeren Magneten, der unsere Experimente deutlich empfindlicher machen wird.

„Das langfristige Ziel ist ein groß angelegtes experimentelles Programm mit einem Aufbau im ~10-Meter-Maßstab in einem riesigen Magneten, der die Erforschung der am besten motivierten Modelle ermöglicht.“

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