27.04.2018
PL EN
17.04.2018 aktualizacja 17.04.2018

Fizycy rozpoczęli poszukiwania aksjonów mogących wyjaśnić ciemną materię

Hala laboratoryjna eksperymentu ADMX w University of Washington. Sam detector ADMX znajduje się pod spodem, otoczony polem magnetycznym. Źródło: Mark Stone/University of Washington. Hala laboratoryjna eksperymentu ADMX w University of Washington. Sam detector ADMX znajduje się pod spodem, otoczony polem magnetycznym. Źródło: Mark Stone/University of Washington.

Dzięki nowym niskoszumowym nadprzewodzącym wzmacniaczom kwantowym fizycy mogą rozpocząć eksperymentalne poszukiwania aksjonów - hipotetycznych cząstek rozważanych jako jedna z możliwości wyjaśniających istnienie ciemnej materii – poinformowały amerykańskie ośrodki naukowe.

Informację przekazały University of California w Berkeley oraz University of Washington w Seattle.

Eksperymentalne poszukiwania aksjonów będą prowadzone w ramach projektu Axion Dark Matter Experiment (ADMX) w laboratoriach University of Washington w Seattle, który w ostatnich dniach zaprezentował wyniki świadczące o tym, że uzyskał na tyle dużą czułość, by "usłyszeć" potencjalne oznaki istnienia aksjonów ciemnej materii.

Ciemna materia to tajemniczy składnik Wszechświata, którego jest wielokrotnie więcej, niż zwykłej materii. Ciemnej materii nie widzimy; o jej istnieniu wnioskujemy na podstawie oddziaływań grawitacyjnych, jakie wywiera ona na zwykłą materię w kosmosie, a także na podstawie jej wpływu na ruch obiektów i normalnej materii we Wszechświecie. Od wielu lat trwają poszukiwania wyjaśnienia, co może stanowić ciemną materię. Rozważano np. masywne obiekty w halo galaktyk (tzw. MACHO), albo słabo oddziałujące masywne cząstki (tzw. WIMP), ale także właśnie aksjony.

Gdyby udało się potwierdzić istnienie aksjonów - miałoby to wpływ nie tylko na badania ciemnej materii, ale także rozwiązałoby problemy, z którymi boryka się tzw. model standardowy cząstek elementarnych. Chodzi m.in. o problem, że neutrony powinny mieć dipolowy moment elektryczny, a go nie posiadają. Aksjony zostały zaproponowane w 1977 właśnie po to, aby wyjaśnić brak obserwacji tej cechy u neutronów.

Aksjony - jeśli istnieją - oddziałują ze zwykłą materią niezwykle rzadko, więc bardzo trudno je wykryć. Mogą przelecieć nawet przez całą Ziemię bez "dotknięcia" cząstki zwykłej materii. Fizycy próbuję wykryć aksjony w eksperymencie ADMX poprzez wytworzenie silnego pola magnetycznego i użycie specjalnej tuby odbijającej, aby zmusić aksjony do zmiany na fotony o częstotliwości mikrofalowej, a następnie przy pomocy wzmacniaczy kwantowych "usłyszeć" je. Wszystko to musi się odbywać w najniższej możliwej temperaturze, aby obniżyć szumy tła.

O ile obniżenie szumu termicznego jest względnie proste (wystarczy obniżyć temperaturę detektora do 0,1 kelwina), o tyle eliminacja szumu od standardowych wzmacniaczy z tranzystorów półprzewodnikowych wciąż napotyka trudności. I właśnie tutaj zastosowanie znalazły specjalne detektory magnetyczne: nadprzewodzące urządzenia kwantowej interferencji (ang. SQUIDs – superconducting quantum interference devices). Wzmacniacz stosujący tę technologię opracował dwie dekady lat temu John Clarke, profesor na University of California w Berkeley. Początkowo wzmacniacze SQUID pracowały z częstotliwościami do 100 MHz, ale potrzebne były urządzenia o większych częstotliwościach, które w kolejnych latach udało się opracować.

Teraz udało się zastosować nowe urządzenia do aparatury eksperymentu ADMX i wykazać, że działają one prawidłowo. Nowa technologia pozwala zredukować szum o czynnik 30 na częstotliwości 600 MHz. Jeśli wystąpi sygnał od aksjonów, będzie go można wyraźnie wykryć. Fizycy planują starannie sprawdzić miliony częstotliwości w nadziei na detekcję sygnału od fotonów wyprodukowanych przy rozpadzie aksjonów. (PAP)

cza/ zan/

Copyright © Fundacja PAP 2018