Kleine zwevende bollen kunnen meedoen aan de jacht op donkere materie - Physics World

Kleine zwevende bollen kunnen meedoen aan de jacht op donkere materie - Physics World

Tijdstempel: 15 juni 2023 3:27 uur
Bronknooppunt: 2723852

Detector voor donkere materie
Hoe het werkt: een diamagnetische bol (boven) zweeft in een magnetische zwaartekrachtval. Een paramagnetische microsfeer (midden) is door een dunne glazen staaf met de bovenste diamagnetische bol verbonden. (Met dank aan Rui Li c.s./Chinese fysieke letters)

Natuurkundigen in China willen de zoektocht naar donkere materie verbreden met behulp van een minuscule zwevende oscillator. Door de resonantiefrequentie van hun sensor over drie orden van grootte af te stemmen, zeggen ze dat ze nieuwe ondergrenzen zouden moeten kunnen stellen aan de interactiesterkte van vermeende donkere materie met een lage massa en een even groot massabereik. Ze moeten echter nog aantonen dat ze alle mogelijke geluidsbronnen kunnen afschermen.

Wetenschappers hebben tientallen jaren geleden de aanwezigheid van donkere materie in het heelal afgeleid, nadat ze hadden waargenomen dat sterren ver van het centrum van sterrenstelsels sneller roteren dan verwacht. Ondanks veel inspanningen in de tussentijd moeten onderzoekers echter nog steeds eventuele donkere materie rechtstreeks detecteren. De leidende kandidaat voor vele jaren zijn zwak interacterende massieve deeltjes (WIMPs), die tussen de 10 wegen10-1012 eV/c2 en sluit aan bij de supersymmetrietheorie. Maar meerdere zoekopdrachten bij de Large Hadron Collider op CERN en bij speciale ondergrondse faciliteiten hebben tot nu toe niets opgeleverd.

Tegelijkertijd hebben onderzoekers de jacht op veel lichtere deeltjes opgevoerd. De meest prominente hiervan is het axion, een spin-0-boson met een massa ergens tussen de 10-6-10-3 eV/c2 dat oorspronkelijk was voorgesteld om een ​​dilemma met de sterke kernkracht op te lossen. Maar daarachter ligt een dierentuin van hypothetische ‘axion-achtige deeltjes’ (ALP’s), die, in tegenstelling tot de axionen zelf, in principe een groot aantal massa’s en interactiesterktes kunnen aannemen.

Coherente golven

Het zoeken naar deze deeltjes met behulp van mechanische oscillatoren is afhankelijk van het feit dat dergelijke entiteiten met een lage massa en daarom overvloedig aanwezig zijn, zich als coherente golven zullen gedragen. Terwijl de aarde door de wolk van donkere materie gaat waarvan men denkt dat deze de Melkweg omhult, zou de golfachtige aard van ALP's leiden tot een periodieke variatie in de beweging van een voldoende gevoelige oscillator. De omvang van het effect zou evenredig zijn met het aantal neutronen in de detector en een specifieke maar onbekende koppelingssterkte, terwijl de oscillatiefrequentie evenredig zou zijn met de ALP-massa. Elke variatie op een specifieke frequentie die niet door meer alledaagse geluidsbronnen kan worden verklaard, zou daarom kunnen wijzen op de aanwezigheid van donkere materie.

Onderzoekers hebben naar dergelijke modulaties gezocht met behulp van de Franse ruimtemissie MICROSCOPE en experimenten op de grond. In een experiment op de grond volgden Eric Adelberger en collega's van de Universiteit van Washington in de VS de beweging van een roterende torsiebalans. Nadat ze na analyse van bijna zeven jaar aan gegevens een nulresultaat behaalden, konden ze in 2019 strikte nieuwe limieten opleggen aan de interactiesterkten tussen ongeveer 10-9-10-4  Hz. Dit komt overeen met deeltjesmassa's tussen 10-23-10-18 eV/c2.

In het laatste werk, Jiangfeng Du aan de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China in Hefei en collega's in Hefei en Nanjing richten hun aandacht in plaats daarvan op een magnetisch zwevende oscillator. Een ontdekking zou in dit geval komen in de vorm van een verbeterde verticale oscillatie op een bepaalde frequentie die verder gaat dan verwacht wordt op basis van eenvoudige thermische trillingen.

Twee kleine bolletjes

De oscillator – die nog moet worden gebouwd – zou bestaan ​​uit twee kleine zwevende bolletjes die met elkaar zijn verbonden door een dunne verticale glazen staaf. De bovenste bol, een diamagneet met een diameter van 1 mm, zou in een ring van magneten worden gehouden. De onderste, een paramagneet met een straal van slechts 11 micron, zou net boven een kleiner stel magneten worden opgehangen (zie figuur). Terwijl de verbonden bollen op en neer bewegen, zou hun beweging worden gevolgd door de verstrooiing van een laserstraal vanuit de bovenste bol te meten.

Du en collega's zeggen dat de gevoeligheid van de oscillator kan worden verbeterd door de resonantiefrequentie te variëren. Het idee is om de onderste magneet op en neer te bewegen, waardoor de afstand tussen de magneet en de onderste bol varieert. Kleinere afstanden zouden hogere magnetische gradiënten betekenen, wat op zijn beurt lagere resonantiefrequenties zou opleveren. Op deze manier konden ze frequenties tussen 0.1 en 100 Hz onderzoeken.

De onderzoekers leggen uit dat experimenten inhouden dat de beweging van de oscillator iets meer dan een dag achter elkaar continu wordt gevolgd, waarbij de resonantiefrequentie over het hele bereik wordt gescand. Door dit proces ongeveer 100 keer te herhalen, berekenen ze dat ze in staat moeten zijn de bovengrens van de ALP-koppelingssterkte te verlagen voor massa's tussen 10-16-10-13 eV/c2 met minstens een orde van grootte vergeleken met eerdere resultaten.

Minimaliseren van geluid

Dit houdt in dat verschillende geluidsbronnen worden uitgeschakeld. Het zou ongewenste trillingen beperken via een meertraps ophangingssysteem en thermische ruis minimaliseren door te werken op slechts 30 mK. Het zou ook meetruis in de vorm van detectoronvolkomenheden en laserdrukfluctuaties verminderen. De onderzoekers erkennen dat het ophangsysteem seismische golven, getijdenkrachten en andere laagfrequente interferentie niet kan wegfilteren, maar ze proberen dit aan te pakken door beter gebruik te maken van actieve trillingen om geluid te onderdrukken.

Bovendien zeggen ze dat het mogelijk moet zijn om de zoektocht naar ALP's uit te breiden door gebruik te maken van een sensorarray, waardoor de gevoeligheid met minstens de wortel uit het aantal detectoren wordt vergroot.

David Moore van de Yale Universiteit in de VS is enthousiast over het nieuwe onderzoek en beschrijft het als “een mooi voorstel” om mechanische sensoren te gebruiken bij de jacht op donkere materie. Maar hij benadrukt hoe moeilijk het kan zijn om ruis te elimineren, omdat hij zelf te kampen heeft gehad met de kleinste trillingen bij het zoeken naar donkere materie met behulp van een minuscule massa die optisch zweeft. “Sommige achtergrondgebeurtenissen ontstonden doordat mensen in de kamer aan het praten waren”, herinnert hij zich.

Het onderzoek is beschreven in Chinese natuurkundebrieven.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld