BREAD-Kollaboration sucht mithilfe einer koaxialen Satellitenschüssel nach dunklen Photonen

Schätzungen zufolge handelt es sich bei etwa 80 % der Materie im Universum um sogenannte „Dunkle Materie“, die kein Licht aussendet, reflektiert oder absorbiert und daher mit herkömmlichen experimentellen Techniken nicht direkt nachgewiesen werden kann.

Obwohl die Existenz dunkler Materie inzwischen gut dokumentiert ist, versuchen Astrophysiker auf der ganzen Welt immer noch, wirksame Methoden zu entwickeln, um sie zu entdecken und ihre Zusammensetzung zu bestätigen.

Das Broadband Reflector Experiment for Axion Detection (BREAD), ein kürzlich gestartetes Forschungsprojekt von Physikern der University of Chicago und des Fermi Accelerator Laboratory, führte einen neuen Ansatz zur Suche nach Kandidaten für helle dunkle Materie ein, darunter Photonen und dunkle Axionen.

Die von der BREAD-Kollaboration vorgeschlagene Methode, beschrieben in einem Artikel veröffentlicht in Briefe zur körperlichen UntersuchungDabei wird eine koaxiale Parabolantenne verwendet, um die mit diesen Partikeln verbundenen Signale zu empfangen.

„Wir wissen, dass es um uns herum eine Form von Materie gibt, die nur sehr schwach wechselwirkt und nicht strahlt, aber wir wissen nicht, woraus sie besteht“, sagte Stefan Knirck, korrespondierender Autor der BREAD-Kollaboration, bei Phys.org.

„In den letzten Jahrzehnten gab es viele Versuche, nach neuen fundamentalen Teilchen mit einer Masse ähnlich der eines Protons zu suchen, aber mit wenig Erfolg. Deshalb wenden wir uns anderen hoch motivierten Kandidaten zu: dem Photon Dark und dem Axion.“

Dunkle Photonen und Axionen sind schätzungsweise etwa eine Billion Mal leichter als Protonen, daher würde ihr Nachweis sehr unterschiedliche Technologien erfordern. Obwohl die BREAD-Kollaboration noch in den Kinderschuhen steckt, hat sie eine neue Technologie zur Suche nach diesen leichteren Partikeln eingeführt. Ziel der aktuellen Studie von Knirck und Kollegen war es, diese Technologie in einem ersten kleinen Experiment zu testen.

„Die Idee hinter unserer Arbeit ist, dass, wenn ein Axion aus dunkler Materie (oder im Fall dieses Artikels ein dunkles Photon) existiert, es sich auf einer Metallwand in Lichtteilchen (Photonen) umwandeln kann“, erklärte Knirck. „Die Photonen werden senkrecht zur Wand emittiert.

„Bei BREAD ist der äußere Zylinder diese Wand. Das gesamte Licht wird dann auf einen kleinen Punkt fokussiert, an dem Sie einen Lichtdetektor oder eine Antenne platzieren können, um nach einem Signal zu suchen. Bei BREAD die Kombination aus dem inneren Tropfenreflektor und dem äußeren Zylinder.“ kümmert sich um die Fokussierung.

Um die Anlage für dunkle Materie aus Axionen empfindlich zu machen, könnte die BREAD-Kollaboration in einer zukünftigen Version des Experiments auch ein Magnetfeld parallel zur Metallwand hinzufügen. Ein einzigartiges Merkmal des neuen Detektors besteht darin, dass er sehr große (m-Maßstab) Magnetmagnete mit hohem Feld (Multi-Tesla) aufnehmen kann.

„In diesem ersten Experiment haben wir uns darauf konzentriert, ‚Licht‘ im Mikrowellenbereich zu erkennen, ähnlich den Mikrowellen, die beim Aufwärmen von Speisen zu Hause verwendet werden“, sagte Knirck. „Zu diesem Zweck haben wir eine maßgeschneiderte Mikrowellenantenne im Brennpunkt und ein hochempfindliches System entwickelt, um die kleinsten von der Antenne empfangenen Leistungen zu erkennen. Dabei nutzten wir die hochmoderne Entwicklung in der Quantenelektronik, die am Fermilab läuft.“

Die BREAD-Kollaboration hat im vergangenen Sommer ihre erste Datenrunde gesammelt, und zwar zwischen Juni und Juli 2023. Die gesammelten Daten umfassen das von der Antenne in diesem Zeitraum aufgenommene thermische Rauschen und etwas zusätzliches Rauschen aus der Verstärkung.

„In diesem Rauschen wäre das Signal etwas überhöht, worauf wir in unserer Analyse geachtet haben“, sagte Knirck. „Es ist, als würde man den Frequenzknopf eines Radios drehen: Wenn es auf einer bestimmten Frequenz keinen Sender gibt, hört man Rauschen, aber wenn man langsam einen Sender einstellt, kann man hören, wie das Signal des Senders beginnt, das Rauschen zu übertönen.“

Der kürzlich von Knirck und Kollegen veröffentlichte Artikel präsentiert die Ergebnisse ihrer ersten Suche nach dunklen Photonen mit diesem neuen Detektor. Obwohl sie keine relevanten Signale empfingen, zeigte sich, dass ihr Experiment etwa 10.000-mal empfindlicher auf die Signalstärke dunkler Photonen in einem Massenbereich von 44 bis 52 μeV (10,7 bis 12,5 GHz) reagierte als die zuvor vorgeschlagenen Methoden.

„Unsere Arbeit zeigt das Potenzial dieses Konzepts und ermöglicht es uns, es in Zukunft zu erweitern und deutlich sensibler zu machen“, sagte Knirck. „Dies motiviert dazu, diese Technologie mit einer viel besseren Empfindlichkeit über viel größere Bereiche unterschiedlicher Massen der Dunklen Materie weiterzuentwickeln.“

Die BREAD Collaboration hofft, dass ihr neuer Ansatz dies ermöglicht
Erforschen Sie die motiviertesten Modelle von Axionen und führen Sie möglicherweise zu deren Entdeckung, was einen großen Fortschritt in der Teilchenastrophysik bedeuten würde.

Die Forscher führen derzeit ihr Experiment in einem 4T-Magneten im Argonne National Laboratory durch, um dessen Empfindlichkeit gegenüber axionähnlicher Dunkler Materie herauszufinden.

„Wir bauen außerdem weitere Prototypen, die das Konzept mit verschiedenen hochmodernen Quantentechnologien kombinieren, um auf einzelne Lichtteilchen im Fokus zu reagieren“, fügte Knirck hinzu. „Am Fermilab hoffen wir, bald einen noch stärkeren Magneten zu erhalten, der unsere Experimente deutlich empfindlicher macht.

„Das langfristige Ziel ist ein groß angelegtes experimentelles Programm mit einem etwa 10 m großen Aufbau in einem riesigen Magneten, um die motiviertesten Modelle zu erforschen.“

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