Forscher am MIT haben kürzlich die ersten Ergebnisse eines Experiments veröffentlicht, das auf die Suche nach dunkler Axion-Materie durch die Untersuchung der Axion-induzierten Doppelbrechung elektromagnetischer Wellen abzielte. Während diese Erkenntnisse veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Untersuchungnicht zur Beobachtung von Signalen führte, die mit diesen hypothetischen Teilchen der Dunklen Materie verbunden sind, etablierten sie eine neue Technik zur Suche nach Axionen mithilfe eines abstimmbaren optischen Hohlraums.
„Das Experiment wurde 2019 in Zusammenarbeit zwischen unserem Labor und unseren Kollegen am MIT Center for Theoretical Physics vorgeschlagen, als wir über neue Wege zur Suche nach einem hypothetischen Teilchen der Dunklen Materie namens Axion nachdachten“, sagte Evan Hall, Forschungswissenschaftler bei Das LIGO-Labor des MIT, sagte Phys.org.
„Jede beobachtbare Wechselwirkung zwischen Axionen und Standardmaterie dürfte sehr schwach sein. Wir erkannten, dass das Problem, ein schwaches Signal zu finden, ein sehr ähnliches Problem war wie die Erkennung von Gravitationswellen, einer anderen Art sehr schwacher Signalart.“ erst vor Kurzem entdeckt.“
Nach verschiedenen theoretischen Diskussionen und Überlegungen erkannten Hall und seine Kollegen, dass die Laser und optischen Werkzeuge, die derzeit im LIGO-Experiment zum Nachweis von Gravitationswellen verwendet werden, für die Durchführung von Axion-Suchen umfunktioniert werden könnten. Daraus entstand das Axion Dark-Matter Birefringent Cavity (ADBC)-Experiment, das erstmals im Jahr 2022 mit der Datenerfassung begann.
„Wir wollten experimentell demonstrieren, wie man mit diesen Werkzeugen eine Axion-Suche durchführen kann“, erklärte Hall. „Licht kommt in zwei Polarisationen vor – horizontal und vertikal. Von Axionen, sofern sie existieren, wird erwartet, dass sie eine Polarisation in die andere umwandeln. In unserem Labor verwenden wir einen Laser, um vertikal polarisiertes Licht zu erzeugen, und wir suchen nach Hinweisen, die Axionen haben.“ wandelte einen Teil dieses Lichts in die horizontale Polarisation um.
Der Detektor, auf dem das ADBC-Experiment basiert, besteht aus vier Spiegeln, die so angeordnet sind, dass sie einen optischen Hohlraum bilden (dh eine Struktur, die Licht einfängt). Dieser optische Hohlraum speichert und zirkuliert tausende Male Lichtstrahlen, die von einem Laser stammen, was schwache Axionsignale verstärken würde.
In den ersten Phasen des Experiments suchten Hall und seine Kollegen mit dem Detektor nach Axionen mit Massen um 50 neV (etwa 10–40 Gramm). Bemerkenswert ist, dass ein anderes Forschungsteam mit Sitz im Vereinigten Königreich kürzlich nach Axionen mit Massen um 2 neV gesucht hat, und zwar mit Geräten, die denen am MIT ähneln.
„Unsere Arbeit hat gezeigt, dass diese neue Art von Hohlraum so eingestellt werden kann, dass der Bereich der möglichen Axionmassen, die durchsucht werden können, erweitert wird“, sagte Swadha Pandey, Doktorandin im vierten Jahr. Student am MIT.
„Konkret haben wir gezeigt, dass der Hohlraum durch Anpassen der Winkel seiner vier Spiegel eingestellt werden kann. Die Einstellbarkeit ist ein wichtiges Kriterium, um das Gerät für die Suche nach dunkler Materie nutzbar zu machen. Da niemand weiß, wie groß die Axionmasse sein könnte, müssen wir darüber suchen.“ eine breite Palette möglicher Massen.“
Die ersten Ergebnisse des ADBC-Experiments schränken die Kopplung axionartiger Teilchen und Photonen ein. Obwohl sie bisher noch keine Axionen entdeckt haben, könnten sie weitere Forschungsbemühungen anregen, die darauf abzielen, diese hypothetischen Teilchen der Dunklen Materie mithilfe optischer Hohlräume nachzuweisen, und möglicherweise zu ihrer experimentellen Entdeckung beitragen.
„Nachdem gezeigt wurde, dass diese Methode über einen breiten Bereich von Axionmassen funktionieren kann, wäre der nächste Schritt der Aufbau eines größeren, empfindlicheren Experiments“, fügte Pandey hinzu.
„Ein solches Experiment würde mehr Laserlicht verwenden, sodass mehr Photonen mit den Axionen interagieren, und das Experiment wäre größer, um die Zeit zu verlängern, in der die Photonen mit den Axionen interagieren können. Automatisierung des Abstimmmechanismus und clevere Designs dafür.“ Spiegelbeschichtungen sind auch für das Scannen über den gesamten verfügbaren Bereich der Axionmassen unerlässlich.“
Weitere Informationen:
Swadha Pandey et al., Erste Ergebnisse des Axion Dark-Matter Birefringent Cavity (ADBC) Experiments, Briefe zur körperlichen Untersuchung (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.111003.
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