Ein südkoreanisches Forschungsteam am Center for Axion and Precision Physics Research (CAPP) innerhalb des Institute for Basic Science (IBS) hat kürzlich den fortschrittlichsten experimentellen Aufbau zur Suche nach Axionen angekündigt. Die Gruppe hat erfolgreich ihren ersten Schritt in Richtung der Suche nach Dine-Fischler-Srednicki-Zhitnitsky (DFSZ)-Axion dunkler Materie unternommen, die aus der Grand Unification Theory (GUT) stammt. Darüber hinaus ermöglicht der IBS-CAPP-Versuchsaufbau im Vergleich zu allen anderen Axion-Suchexperimenten auf der Welt eine weitaus höhere Suchgeschwindigkeit.
Die Vorstellung, dass die Physik „tot“ sei, war in der Geschichte eine immer wiederkehrende Meinung. Im späten 19. Jahrhundert glaubte William Thompson, auch bekannt als Lord Kelvin, fälschlicherweise, dass es nach 1900 keine neuen Entdeckungen in der Physik geben würde. Ebenso haben einige angenommen, dass nach der Entdeckung von Neutronen in den 1930er Jahren keine neuen Teilchen mehr zu finden seien . Noch heute befürchten manche, dass die moderne theoretische Physik in einer Sackgasse steckt.
Dies ist jedoch weit von der Wahrheit entfernt. Unsere derzeitige Erkenntnisgrenze in der Physik, das Standardmodell, kann nur etwa 5 % des Universums erklären, während die anderen 95 % aus dunkler Materie und dunkler Energie bestehen.
Das aktuelle Standardmodell hat auch Einschränkungen bei der Erklärung von Problemen wie dem Problem der starken CP (Ladungskonjugationsparität). Das Problem ergibt sich aus der Beobachtung, dass die starke Kraft, die durch Quantenchromodynamik (QCD) beschrieben wird, die CP-Symmetrie nicht zu verletzen scheint, während die elektroschwache Kraft die CP-Symmetrie in geringem Maße verletzt. Dies widerspricht dem Standardmodell, das vorhersagt, dass die CP-Symmetrie durch die starke Kraft auf einem Niveau verletzt werden sollte, das viel größer ist als das, was beobachtet wurde.
Eine vorgeschlagene Lösung des Problems beinhaltet die Existenz von hypothetischen Teilchen, Axionen genannt, die die Diskrepanz zwischen den vorhergesagten und beobachteten Niveaus der CP-Verletzung in der starken Kraft auflösen könnten. Das Axion ist einer der stärksten Kandidaten für dunkle Materie. Die Entdeckung der dunklen Axion-Materie wäre zweifellos ein Meilenstein in der Geschichte der Menschheit.
Derzeit gibt es zwei verschiedene Vorschläge für „jenseits des Standardmodells“, um das starke CP-Problem zu erklären. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Modellen besteht darin, dass sie verschiedene Arten von Kopplungen zwischen Axionen und anderen Teilchen vorhersagen. Im Kim-Shifman-Vainshtein-Zakharov (KSVZ)-Modell sind Axionen hauptsächlich an schwere Quarks gekoppelt, während sie im Dine-Fischler-Srednicki-Zhitnitsky (DFSZ)-Modell über Higgs-Bosonen an Quarks und Leptonen des Standardmodells gekoppelt sind .
Als dunkle Materie haben Axionen eine sehr schwache (oder geringe) Wechselwirkung mit gewöhnlicher Materie, daher kann die Suche nach ihnen eine knifflige Angelegenheit sein. Ein häufig verwendeter Ansatz beinhaltet Mikrowellen-Resonator-Experimente. Diese Experimente verwenden ein starkes Magnetfeld, um Axionen (falls vorhanden) in resonante elektromagnetische Wellen umzuwandeln, die dann mit einem Empfänger erfasst werden. Aus der Frequenz der detektierten Welle kann dann die Masse des Axions berechnet werden.
Da die Axion-Masse unbekannt ist, müssen Physiker ihre Suche ausweiten und einen riesigen Frequenzbereich scannen.
Das Problem verschärft sich bei der Suche nach einem DFSZ-Axion, das eine viel größere Sensitivität erfordert als das KSVZ-Axion. In Mikrowellen-Resonatorsuchexperimenten erfordert das Erreichen einer höheren Empfindlichkeit eine exponentiell längere Suchzeit, und daher ist die Suche nach einem DFSZ-Axion für fast alle existierenden Versuchsaufbauten unerreichbar.
Während einige Axion-Suchexperimente erfolgreich nach Signalen in den KSVZ-Axion-Empfindlichkeitsbereichen gesucht haben, war das bisher einzige Experiment, das in der Lage war, die für die Suche nach DFSZ-Axionen erforderliche Empfindlichkeit zu erreichen, das durchgeführte ADMX (Axion Dark Matter eXperiment). von der ADMX-Kollaboration. Damit ist IBS-CAPP die zweite Gruppe weltweit, die mit DFSZ-Sensitivität erfolgreich nach Axion sucht.
Die IBS-CAPP-Gruppe verwendete einen 12-Tonnen-Magneten, der stärker ist als der 8-Tonnen-Magnet, der vom ADMX verwendet wird. Um das Hintergrundrauschen zu minimieren, wurde der Versuchsaufbau nahe dem absoluten Nullpunkt gehalten.
Neben der Verwendung eines stärkeren Magneten verwendete das IBS-CAPP-Experiment Quantentechnologien und einen effektiveren Computeransatz, um die Daten zu kuratieren. Dies ermöglichte es dem IBS-CAPP, mit der 3,5-fachen Rate des ADMX-Setups nach DFSZ-Axionen zu suchen.
Die neueste Veröffentlichung des IBS-CAPP beschreibt die Demonstration ihres neuen Aufbaus für die DFSZ-Axionsuche vom 1. bis 18. März 2022. Als Ergebnis konnte die Gruppe Axion-Dunkelmaterie um 4,55 µeV bei DFSZ-Empfindlichkeit ausschließen. Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Briefe zur körperlichen Überprüfung.
„Die Entdeckung von Axion wird es uns ermöglichen, bis zu 32 % der Masse-Energie des Universums zu verstehen, gegenüber den 5 %, die das aktuelle Standardmodell bietet“, erklärt der wissenschaftliche Mitarbeiter KO Byeong Rok vom IBS-CAPP. Er fügte hinzu: „Wir planen, die blitzschnelle Geschwindigkeit unseres experimentellen Aufbaus zu nutzen, um schnell nach DFSZ-Axionen in den weiten Frequenzbereichen von 1 bis 2 GHz zu suchen.“
Man hofft, dass die Entdeckung des Axions die Grand Unification Theory (GUT) unterstützt, die die drei fundamentalen Kräfte – stark, schwach und Elektromagnetismus – vereint. Es wird angenommen, dass die drei fundamentalen Kräfte im frühesten Moment nach dem Urknall vereint und ununterscheidbar waren, unter Bedingungen, die um Größenordnungen höher sind, als sie heute im Large Hadron Collider erreichbar sind. Es ist zu hoffen, dass die GUT als Sprungbrett für die begehrte Theory of Everything (TOE) dienen wird, die den theoretischen Physikern all die Jahre entgangen ist.
Direktor Yannis SEMERTZIDIS von IBS-CAPP sagte: „Wir sind sehr dankbar für all die Finanzierung und Unterstützung, die das Institute for Basic Science und die südkoreanischen Steuerzahler für dieses Projekt bereitgestellt haben. Ihnen ist es zu verdanken, dass Südkorea jetzt die fortschrittlichste Axion-Suche beherbergt Versuchsanlage der Welt. Wenn Axion existiert, habe ich keinen Zweifel, dass es genau hier in Südkorea gefunden werden wird.“
Mehr Informationen:
Andrew K. Yi et al., Axion Dark Matter Search um 4,55 μeV mit Dine-Fischler-Srednicki-Zhitnitskii-Empfindlichkeit, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.071002