A new Limit for Axion Dark Matter with SPACE
Het SPACE-experiment, Duitsland's eerste axion-donkere materie-zoektocht, maakte gebruik van een 14 T resonante hol om het massabereik van 16,626–16,653 μeV te verkennen en stelde een nieuwe, recordbrekende limiet vast op de axion-fotonkoppeling die eerdere beperkingen met meer dan twee grootheden overtreft.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Het universum is gevuld met materie die we niet kunnen zien. Astronomen weten dat deze onzichtbare substantie, genaamd donkere materie, bestaat omdat de zwaartekracht ervan sterrenstelsels bij elkaar houdt en het licht van verre sterren afbuigt, maar het zendt op geen enkele manier licht uit of reflecteert dat wij kunnen detecteren. Decennialang hebben wetenschappers gezocht naar het deeltje dat deze kosmische schaduw vormt, waarbij ze veel verschillende theorieën hebben getest. Een leidend idee suggereert dat donkere materie bestaat uit axionen, piepkleine, spookachtige deeltjes die werden voorgesteld om een diep mysterie op te lossen over waarom de sterke kernkracht anders werkt dan verwacht. Als deze axionen bestaan, zouden ze overal moeten zijn en constant door ons en de aarde heen gaan, maar ze interageren zo zwak met normale materie dat ze onzichtbaar zijn gebleven. De uitdaging voor natuurkundigen is om een manier te vinden om een van deze ongrijpbare deeltjes te vangen, om het onzichtbare om te zetten in iets dat we kunnen meten.
Een team onderzoekers in Duitsland heeft een belangrijke stap richting dit doel gezet met een nieuw experiment genaamd SPACE, de Student Project for an Axion Cavity Experiment. Dit is het eerste experiment van dit soort in Duitsland, en het vertegenwoordigt een grote sprong voorwaarts in de gevoeligheid van onze zoektocht. De onderzoekers bouwden een gespecialiseerd apparaat dat ontworpen is om te luisteren naar het zwakke gefluister van een axion die wordt omgezet in een foton, een lichtdeeltje. Ze richtten hun zoektocht op een zeer specifiek massabereik, waarbij ze zochten naar axionen die zouden overeenkomen met een frequentie tussen 4,020 gigahertz en 4,027 gigahertz. Om deze conversie mogelijk te maken, plaatsten ze een hol metalen cilinder in een krachtige supergeleidende magneet die een magnetisch veld genereert van 14 tesla, ongeveer 280.000 keer sterker dan het magnetisch veld van de aarde. In deze intense magnetische omgeving voorspelt de theorie dat, als een axion door de cilinder zou passeren, deze zou transformeren in een piepkleine uitbarsting van radiogolven waar de cilinder mee zou resoneren, net zoals een bel die op een specifieke toonhoogte rinkelt.
Het experiment draaide 71 uur in april 2024, gedurende welke tijd het team miljarden metingen verzamelde van de radiosignalen die uit de caviteit kwamen. Ze gebruikten uiterst gevoelige versterkers en filters om het specifieke frequentiebereik waar ze in geïnteresseerd waren te isoleren, waarbij ze zorgvuldig bijhielden hoe de temperatuur en de fysieke eigenschappen van de apparatuur in de loop van de tijd veranderden om ervoor te zorgen dat hun gegevens accuraat bleven. Ondanks de hoge gevoeligheid van hun apparatuur en de sterkte van het magnetische veld, vonden de onderzoekers geen signaal dat boven de achtergrondruis uitstak. Ze hoorden de bel niet rinkelen. Deze afwezigheid van een signaal is echter op zichzelf al een krachtig resultaat. Door de axion niet te vinden, was het team in staat om het bestaan van axionen met bepaalde eigenschappen in dat specifieke massabereik uit te sluiten. Ze stelden vast dat als axionen bestaan met een massa tussen 16,626 micro-elektronvolt en 16,653 micro-elektronvolt, hun interactie met licht zwakker moet zijn dan een specifieke limiet.
Het team berekende dat elke axion in dit massabereik een interactiekracht met fotonen moet hebben die kleiner is dan 14,6 keer 10 tot de macht negatief 13 inverse gigaelektronvolt, en dat zij op hun meest gevoelige punt waarden groter dan 2,8 keer 10 tot de macht negatief 13 inverse gigaelektronvolt konden uitsluiten. Deze nieuwe limiet is meer dan honderd keer strikter dan eerdere beperkingen in dit massabereik, waardoor een breed scala aan mogelijkheden die andere experimenten open hadden gelaten, effectief wordt gesloten. De onderzoekers zijn vertrouwd met dit resultaat, aangezien ze diverse bronnen van fouten en onzekerheden in hun apparatuur en analyse hebben meegenomen. Hoewel ze de axion niet hebben ontdekt, hebben ze erin geslaagd de zoekruimte te verkleinen, waarmee ze de wetenschappelijke gemeenschap vertellen dat als de axion in dit massabereik bestaat, deze nog ongrijpbaarder is dan voorheen werd gedacht. Dit werk, uitgevoerd door studenten en onderzoekers aan de Universiteit van Hamburg en DESY, duwt de grenzen van wat mogelijk is in de jacht op donkere materie, en bewijst dat zelfs een nulresultaat diepgaande helderheid kan bieden over de aard van het universum.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.