Search for dark photon dark matter near using a superconducting mixer
Dit artikel demonstreert het gebruik van een supergeleidende mixer om een directe zoektocht naar donker foton-donkere materie nabij 1 meV uit te voeren, waarbij competitieve bovengrenzen voor de kinetische mengparameter worden vastgesteld zonder een significant signaal te detecteren.
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 auteur. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Decennialang heeft het universum een stil geheim bewaard. Hoewel we sterren, sterrenstelsels en gaswolken kunnen zien, bestaat het grootste deel van de kosmos uit iets onzichtbaars. We noemen deze ontbrekende massa "donkere materie", maar we hebben nog nooit een enkel deeltje ervan direct gedetecteerd. Eén leidende theorie suggereert dat donkere materie gemaakt zou kunnen zijn van een deeltje genaamd het "donkere foton". In tegenstelling tot de fotonen van licht die ons in staat stellen om te zien, zouden deze donkere fotonen bijna massaloos zijn en zelden interageren met gewone materie. De theorie staat echter een minuscule, bijna onzichtbare verbinding toe tussen de donkere wereld en de onze. Als deze verbinding bestaat, zouden donkere fotonen af en toe kunnen transformeren in gewone lichtdeeltjes wanneer ze een metalen oppervlak raken. Het vinden van dit zwakke, geconverteerde licht zou een monumentale ontdekking zijn, die het bestaan van donkere materie bewijst en een nieuwe natuurkracht onthult.
Een team van onderzoekers in Japan heeft nu een belangrijke stap gezet richting het vangen van dit ongrijpbare signaal. Ze bouwden een gespecialiseerde, uiterst gevoelige ontvanger die ontworpen is om te luisteren naar een zeer specifiek type licht dat zou verschijnen als er inderdaad donkere fotonen aanwezig zijn in onze buurt. Het team richtte hun zoektocht op een massabereik nabij één duizendste elektronvolt, een schaal die overeenkomt met lichtgolven met een frequentie van ongeveer 243 gigahertz. Dit is een frequentie die veel hoger is dan wat standaard radiovangers kunnen verwerken, gelegen diep in het millimetergolfgedeelte van het spectrum waar traditionele elektronica moeite heeft om te functioneren zonder te veel ruis toe te voegen die het signaal zou overstemmen. Om dit op te lossen, maakten de wetenschappers gebruik van een apparaat genaamd een supergeleidende mixer. Dit component, gekoeld tot temperaturen van slechts enkele graden boven het absolute nulpunt, kan deze hoogfrequente golven omzetten in lagere frequenties die standaard versterkers met extreme precisie kunnen meten, terwijl de achtergrondruis tot een minimum wordt beperkt.
Het experiment vond plaats in een laboratorium aan de Universiteit van Kyoto, waar de onderzoekers een grote aluminium plaat opstelden om te dienen als het conversieoppervlak. Het idee was dat als er donkere fotonen door de kamer passeren, ze deze metalen plaat zouden raken en zouden transformeren in gewone fotonen, die vervolgens van het oppervlak zouden weerkaatsen en naar een hoornantenne zouden reizen. De antenne, gemonteerd op een cryogene ontvanger, ving deze zwakke signalen op. De hele opstelling was afgeschermd en gekoeld om ervoor te zorgen dat geen enkele restwarmte of interferentie het piepkleine signaal dat ze jaagden kon nabootsen. Het team verzamelde gegevens gedurende ongeveer een uur en scande een zeer smalle strook van het frequentiespectrum. Ze analyseerden de kracht van de ontvangen signalen en zochten naar een scherpe, smalle piek die zou opvallen tegen de vloeiende achtergrond van natuurlijke kosmische ruis. Een dergelijke piek zou de vingerafdruk zijn van donkere materie die transformeert in licht.
Na zorgvuldige analyse van de gegevens vonden de onderzoekers geen dergelijke piek. De vermogensniveaus bleven stabiel en consistent met wat te verwachten zou zijn als er geen donkere fotonen aanwezig waren. Hoewel dit misschien klinkt als een nulresultaat, is het een cruciale informatie voor het vakgebied. Door geen signaal te vinden, was het team in staat om strikte bovengrenzen vast te stellen voor hoe sterk donkere fotonen met gewone materie kunnen interageren. Ze bepaalden dat als deze deeltjes bestaan, de kracht van hun verbinding met onze wereld zwakker moet zijn dan een specifieke drempelwaarde, ongeveer één op een miljard. Deze limiet is vergelijkbaar met de beste beperkingen die wetenschappers hebben afgeleid uit observaties van de zon, maar dit werd hier bereikt via een directe zoektocht in een laboratoriumomgeving. Het werk bewijst dat de gebruikte technologie — specifiek de supergeleidende mixer — een levensvatbaar en krachtig instrument is voor het zoeken naar donkere materie in dit massabereik.
Vooruitblikkend stoppen de onderzoekers niet bij deze enkele frequentie. Ze zijn van plan hun apparatuur te upgraden om de zoektocht nog gevoeliger te maken en om een veel breder massabereik te bestrijken. Ze zijn van plan een grote focusspiegel aan hun opstelling toe te voegen, waardoor ze veel meer van het geconverteerde licht kunnen verzamelen dan de kleine antenne die in deze eerste test werd gebruikt. Ze ontwikkelen ook nieuwe spectrometers die een breed spectrum aan frequenties tegelijkertijd kunnen scannen, in plaats van slechts een klein deel. Met deze verbeteringen beogen ze een massabereik te verkennen van 0,7 tot 1,1 millielectronvolt, een gebied waar de huidige kennis schaars is. Hoewel ze deze keer geen donkere materie hebben gevonden, hebben ze succesvol een nieuwe manier aangetoond om ernaar te zoeken, waarmee ze een theoretische mogelijkheid hebben omgezet in een tastbare, meetbare zoektocht die ons dichter bij het begrijpen van het onzichtbare universum brengt.
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.