Multiple Axions in Laboratory Experiments

Diep in de structuur van ons universum vermoeden natuurkundigen dat er meer aan de hand is met licht en materie dan het standaardmodel van de deeltjesfysica ons momenteel vertelt. Decennialang heeft de ontdekking van het Higgs-boson bevestigd dat onzichtbare velden deeltjes massa kunnen geven, maar het liet ook de deur open voor andere, lichtere velden die in het volle zicht verborgen zouden kunnen zijn. Een van de meest overtuigende kandidaten voor deze verborgen velden is het axion, een spookachtig deeltje dat oorspronkelijk werd voorgesteld om een puzzel op te lossen over waarom de sterke kernkracht zich gedraagt zoals zij dat doet. Terwijl het standaardverhaal slechts één type axion voorstelt, suggereren veel moderne theorieën, met name die met betrekking tot extra dimensies of het uitgestrekte landschap van de snaartheorie, dat de natuur veel drukker zou kunnen zijn. Deze theorieën voorspellen niet één enkel axion, maar een heel spectrum ervan, een familie van deeltjes met licht verschillende massa's en sterktes van interactie, die allemaal wachten om gevonden te worden.

De vraag of deze deeltjes alleen bestaan of in een menigte, is niet slechts een kwestie van tellen; het verandert fundamenteel hoe we naar hen zoeken. Als er slechts één axion bestaat, is de zoektocht een rechttoe-rechte jacht op een specifiek signaal. Maar als er een hele familie bestaat, kunnen ze op manieren met elkaar interageren die onmogelijk zijn voor een enkel deeltje. Ze kunnen elkaars signalen versterken, waardoor ze gemakkelijker te spotten zijn, of ze kunnen elkaar wegcijferen, waardoor het bewijs volledig wordt verborgen. Dit is de kern van het mysterie dat een nieuwe studie van onderzoekers van de Durham University, de Heidelberg University en de High Energy Accelerator Research Organization in Japan probeert op te lossen. Zij hebben een nieuwe manier ontwikkeld om na te denken over hoe deze deeltjes zich in het laboratorium gedragen, waarbij ze laten zien dat de aanwezigheid van meerdere axionen de uitkomst van experimenten die ontworpen zijn om hen te vinden, volledig kan veranderen.

Om de aanpak van de onderzoekers te begrijpen, stel je voor dat je probeert één stem te horen in een stille kamer versus het proberen te horen van een koor. In een standaardzoektocht naar axionen gedragen wetenschappers zich alsof ze luisteren naar een solist. Ze schijnen een krachtige laserstraal door een sterk magnetisch veld. Als axionen bestaan, zou een deel van het licht moeten veranderen in deze onzichtbare deeltjes en door een solide muur moeten gaan die het licht blokkeert. Aan de andere kant van de muur zou een tweede magnetisch veld de axionen weer in licht moeten veranderen, dat detectoren vervolgens kunnen zien. Dit staat bekend als een "light-shining-through-a-wall"-experiment. Als er slechts één axion bestaat, hangt de hoeveelheid licht die weer verschijnt af van hoe lang de magnetische velden zijn en hoe sterk de verbinding van het axion met licht is.

De nieuwe studie onthult echter dat als er veel axionen zijn, het proces een complexe wisselwerking van golven wordt. Wanneer het laserlicht in axionen verandert, verandert het niet zomaar in één type; het creëert een mengsel van alle verschillende axionsoorten tegelijkertijd. Terwijl deze axionen door de muur reizen, blijven ze bewegen en evolueren. Omdat elk axion in de familie een iets andere massa heeft, reizen ze met een iets andere snelheid. Dit zorgt ervoor dat ze uit de pas lopen met elkaar, een fenomeen dat decoherentie wordt genoemd. Als de muur dun is of de axionen zeer licht zijn, blijven ze in de pas lopen en tellen hun effecten bij elkaar op, wat het signaal potentieel veel helderder maakt dan verwacht. Maar als de muur dik is of de axionen verschillende massa's hebben, kunnen ze uit de pas lopen en met elkaar interfereren, waardoor ze het signaal soms volledig uitdoven. De onderzoekers ontdekten dat deze interferentie destructief kan zijn, wat betekent dat het hebben van meer axionen een experiment minder gevoelig kan maken, waardoor een signaal verdwijnt waar een enkel axion wel zichtbaar zou zijn geweest.

Het team testte deze ideeën met behulp van computermodellen gebaseerd op specifieke theorieën, zoals die geïnspireerd door de snaartheorie en extra dimensies. Ze simuleerden experimenten met verschillende aantallen axionen, variërend van slechts één tot honderd. Hun berekeningen toonden aan dat in sommige scenario's het signaal kan worden versterkt door het kwadraat van het aantal axionen, een enorme toename. In andere gevallen zou het signaal slechts lineair groeien, of zou het geheel worden onderdrukt door de chaotische interferentie van de verschillende massa's. Cruciaal was dat zij aantoonden dat dit gedrag geen willekeurige ruis is, maar een voorspelbaar patroon. Door de lengte van de magnetische velden of de dikte van de muur zorgvuldig aan te passen, konden wetenschappers het interferentiepatroon veranderen. Dit betekent dat als er een signaal wordt gevonden, onderzoekers potentieel kunnen onderscheiden of dit komt van een enkel axion of een hele familie door te kijken hoe het signaal verandert wanneer de experimentele opstelling wordt aangepast.

De studie keek ook naar andere manieren om deze deeltjes teerzoeken, zoals helioscopen, die zoeken naar axionen die van de Zon komen, en haloscopen, die zoeken naar axionen die de donkere materie vormen die ons sterrenstelsel omringt. In het geval van zonne-axionen vonden de onderzoekers dat de Zon fungeert als een enorme productiefabriek die een continue stroom van axionen uitzendt. Als er meerdere axionen bestaan, zouden hun verschillende massa's een complex patroon creëren in de energie van het licht dat zij produceren wanneer zij weer worden omgezet in een detector. Door een buffergas te gebruiken om de eigenschappen van het licht in de detector te veranderen, kunnen wetenschappers het experiment afstemmen om te resoneren met specifieke axionmassa's, waardoor een spectrum van pieken in plaats van een enkele lijn wordt onthuld. Voor zoektochten naar donkere materie zou de aanwezigheid van meerdere axionen betekenen dat de donkere materie in onze buurt niet één enkel uniform substantie is, maar een mengsel van verschillende soorten, die elk op hun eigen frequentie trillen.

De implicaties van dit werk zijn aanzienlijk voor de toekomst van de deeltjesfysica. Het suggereert dat de zoektocht naar axionen niet kan vertrouwen op een enkele, statische strategie. In plaats daarvan moeten experimenten flexibel zijn, in staat om over verschillende parameters te scannen om de onderliggende structuur van de axionsector in kaart te brengen. Als de natuur ervoor heeft gekozen de kosmos te bevolken met een diverse familie van axionen, bieden de nieuwe formules de instrumenten om die diversiteit te decoderen. De onderzoekers benadrukken dat hoewel een enkel axion gemakkelijker te vinden kan zijn in een eenvoudige opstelling, de aanwezigheid van meerdere axionen een rijkere, zij het complexere, signatuur biedt. Door te begrijpen hoe deze deeltjes interfereren en samenwerken, kunnen wetenschappers een potentieel doodlopend spoor omzetten in een diagnostisch hulpmiddel, waarbij ze de act van interferentie zelf gebruiken om het aantal axionen te tellen en hun eigenschappen te meten. Dit verschuift het doel van het simpelweg vinden van een deeltje naar het begrijpen van de architectuur van de verborgen sector van het universum, waardoor laboratoriumexperimenten krachtige spectroscopen worden voor de onzichtbare wereld.