_ GALILEO: Oamenii de știință propun un nou metodă de căutare a materiei întunecate ușoare

Noile cercetări în Physical Review Letters (PRL) au propus o nouă metodă de detectare a candidaților de materie întunecată ușoară folosind interferometria laser pentru a măsura câmpurile electrice oscilatorii generate de acești candidați.

Materia întunecată este una dintre cele mai presante provocări din fizica modernă, particulele de materie întunecată fiind evazive și greu de detectat. Acest lucru i-a determinat pe oamenii de știință să vină cu modalități noi și inovatoare de a căuta aceste particule.

Există mai mulți candidați pentru particulele de materie întunecată, cum ar fi WIMP-urile, particulele ușoare de materie întunecată (axioni) și ipotetica gravitino. . Materia întunecată ușoară, inclusiv particulele bosonice precum axionul QCD (dinamica cromo cuantică), a devenit un punct de interes în ultimii ani.

Aceste particule au de obicei suprimat interacțiunile cu modelul standard, ceea ce le face dificil de detectat. . Cu toate acestea, cunoașterea caracteristicilor lor, inclusiv comportamentul lor asemănător undelor și natura coerentă la scară galactică, ajută la proiectarea unor experimente mai eficiente.

În noul studiu PRL, cercetătorii de la Universitatea din Maryland și Universitatea Johns Hopkins au a propus Galactic Axion Laser Interferometer Leveraging Electro-Optics sau GALILEO, o nouă abordare pentru a detecta atât axionul, cât și materia întunecată fotonică într-o gamă largă de masă.

Cercetatorul principal Reza Ebadi, student absolvent la Centrul de Tehnologie Cuantică (QTC) de la Universitatea din Maryland, a vorbit pentru Phys.org despre cercetare și motivația lor pentru dezvoltarea acestei noi abordări, „Deși modelul standard oferă explicații de succes ale fenomenelor, de la distanțe subnucleare până la dimensiunea universului, nu este o explicație completă a naturii."

"Nu reușește să țină seama de observațiile cosmologice din care se deduce existența materiei întunecate. Aspirăm să obținem o perspectivă asupra teoriilor fizice care funcționează la scară galactică folosind experimente de laborator la scară.”

Axionii și particulele asemănătoare axionilor au fost propuse inițial pentru a rezolva probleme din fizica particulelor, cum ar fi problema parității puternice a sarcinii (CP). Această problemă apare din observația că forța puternică nu pare să prezinte un anumit tip de încălcare a simetriei, numită încălcare CP, atât de mult pe cât o prezice teoria.

Acest cadru teoretic dă naștere în mod natural la axionlike. particulele, care împărtășesc proprietăți similare cu axionii, ambii fiind bozoni.

Axionii și particulele asemănătoare axionilor se preconizează că au mase foarte mici, de obicei variind de la microelectronvolți la milielectronvolți. Acest lucru îi face candidați potriviți pentru materia întunecată ușoară, deoarece pot prezenta un comportament asemănător unui val la scară galactică.

Pe lângă masa lor scăzută, axionii și particulele asemănătoare axionilor interacționează foarte slab cu materia obișnuită, ceea ce le face dificile. pentru a detecta folosind mijloace convenționale.

Acestea sunt câteva motive pentru care cercetătorii au ales să detecteze aceste particule în configurația lor experimentală. Cu toate acestea, metoda depinde de câmpurile electrice oscilatorii produse de aceste particule.

În regiunile cu o densitate semnificativă a materiei întunecate, axionii și ALP-urile pot suferi oscilații coerente. Aceste oscilații coerente pot da naștere la semnale detectabile, cum ar fi câmpurile electrice oscilatorii, pe care experimentul GALILEO propus își propune să le măsoare.

GALILEO

„Candidații de materie întunecată ușoară se comportă ca unde în vecinătatea solară. Se preconizează că astfel de unde de materie întunecată vor induce câmpuri electrice oscilante foarte slabe cu câmpurile magnetice din cauza interacțiunilor lor minuscule cu electromagnetismul.”

„Ne-am concentrat mai degrabă pe detectarea câmpului electric decât a câmpului magnetic. , care este semnalul țintă în majoritatea experimentelor actuale și propuse”, a explicat Ebadi.

Câmpurile electrice induse de materia întunecată ușoară pot fi detectate folosind materiale electro-optice, în care câmpul electric extern modifică proprietățile materialului, cum ar fi indicele de refracție.

GALILEO utilizează un Michelson asimetric. interferometru, un dispozitiv care poate măsura modificările indicelui de refracție. Un braț al interferometrului conține materialul electro-optic.

Când un fascicul laser al sondei este divizat și trimis prin cele două brațe ale interferometrului, brațul care conține materialul electro-optic introduce un indice de refracție variabil. Această modificare a indicelui de refracție afectează faza fasciculului laser, rezultând un semnal oscilant atunci când fasciculele sunt îmbinate la loc.

Măsurând viteza diferențială a fazei dintre cele două brațe ale interferometrului, GALILEO poate detecta frecvența oscilației induse de materia întunecată ușoară. Acest semnal oscilator servește drept semnătură a prezenței particulelor de materie întunecată.

Sensibilitatea metodei poate fi crescută prin încorporarea unor cavități Fabry-Perot (care măresc lungimea brațului interferometrului, permițând o mai mare precizie). ) și luând măsurători independente repetate.

Cercetarea se bazează pe măsurători de precizie prin interferometrie laser.

Ebadi a explicat: „Un exemplu excelent al modului în care interferometrele laser pot fi utilizate pentru măsurători de precizie este LIGO. , detectorul de unde gravitaționale de la sol."

"Propunerea noastră folosește progrese tehnologice similare cu LIGO, cum ar fi cavitățile Fabry-Perot sau lumina comprimată pentru a suprima limita cuantică a zgomotului. Cu toate acestea, spre deosebire de LIGO, proiectul propus Interferometrul GALILEO este un dispozitiv la scară de masă.”

Chiar dacă munca este teoretică, cercetătorii au deja planuri de a implementa programul experimental pas cu pas.

Important, ei doresc să determine parametrii tehnici necesari pentru o configurație experimentală optimizată, pe care intenționează să-i folosească pentru efectuarea de experimente științifice pentru a căuta materie întunecată ușoară.

În plus, Ebadi subliniază importanța funcționării Fabry-Perot de mare finețe cavități alături de materialul electro-optic din cavitate, precum și caracterizarea bugetului de zgomot și a sistematicii de configurare, care sunt aspecte cruciale ale procesului experimental.

„GALILEO are potențialul de a fi o componentă semnificativă a mai marelui misiune de a explora vastul spațiu teoretic viabil al candidaților de materie întunecată”, a concluzionat Ebadi.

© 2024 Science X Network

(Fluierul)