Проучването демонстрира нов метод за търсене на meV тъмни фотони


Проучването демонстрира нов метод за търсене на meV тъмни фотони

(Вляво) хладилник за разреждане, използван за постигане на единичен електронен квантов циклотрон без фон. (Горе вдясно) сребърен капан на Пенинг, вътре в който ще бъде окачен единичният електрон. (Долу вдясно) демонстрация на разделителна способност на квантови циклотронни състояния. За предизвикване на прехода се прилага микровълново задвижване. Кредит: Xing Fan.

Приблизително 85% от масата на нашата галактика се състои от тъмна материя, материя, която не излъчва, абсорбира или отразява светлина и следователно не може да бъде пряко наблюдавана. Въпреки че няколко проучвания намекват или теоретизират неговия състав, той остава един от най-големите неразрешени проблеми на физиката.

Физиците по целия свят провеждат търсене на тъмна материя или се опитват да измислят нови методи за директно наблюдение на различни кандидати за тъмна материя. Една хипотетична форма на тъмна материя, която досега не е била открита, е тъмната фотонна материя.

Една интригуваща възможност е, че тъмната материя се състои от тъмни фотони, които приличат на фотони (т.е. частиците, които изграждат видимата светлина), но взаимодействат със заряди със слаба сила. Тези тъмни фотони теоретично биха могли да имат маси в милиелектроволтовия диапазон, приблизително милион пъти по-леки от тези на електроните и по този начин изключително трудни за откриване.

Изследователи от Северозападния университет, Станфордския университет и Fermilab наскоро представиха нов метод, който може да се използва за търсене на meV тъмни фотони. Валидността на метода, описана в статия, публикувана в Писма за физически прегледбеше демонстрирано в кратък опит за доказване на принципа, който също помогна да се поставят нови ограничения върху тъмната фотонна материя.

„Идеята за нашето изследване възникна от дискусии между експериментатори и теоретици, подпомагани от DOE SQMS Center“, каза Габриел Габриелсе, един от изследователите, извършили изследването, пред Phys.org. „В Northwestern търсихме BSM приложения за необичаен детектор с един електрон, който не е фон. Бяхме разработили новия детектор за измерване на електрона електрически диполен момент и тествайте най-точното предвиждане на стандартния модел.”

Проучването демонстрира нов метод за търсене на meV тъмни фотони

Тъмен фотон влиза и възбужда електрон в по-високо възбудено състояние. Кредит: Харикришнан Рамани.

След като научиха за работата, извършена от Gabrielse и колегите му от Northeastern, екип от теоретични физици от Станфорд се обърна и посочи потенциала на техния детектор за провеждане на търсене на meV тъмни фотони. Това предизвика серия от взаимодействия и сътрудничество между двете изследователски групи, включително Рони Харник, теоретик във Fermilab.

Новият метод, въведен от изследователите, се основава на използването на уловени електрони като резонатори с висок Q за откриване на meV тъмна фотонна тъмна материя. Неговата основна хипотеза е, че когато енергията на покой на тъмен фотон съответства на енергийното разделяне на двете най-ниски циклотронни нива, първото състояние на електронния циклотрон ще бъде възбудено.

„Ако меВ тъмен фотон влезе в капана, в който a единичен електрон е суспендиран, тогава електронът може да бъде възбуден от основното състояние до първото възбудено състояние на своето циклотронно движение”, обясни Габриелсе. “Няма фон и единичното възбуждане на единичен уловен електрон може да бъде открито без неяснота. Неуспехът да видим каквито и да е такива възбуждания в продължение на няколко дни ни позволи да зададем ограничение на силата на тъмното фотонно поле, което преминава, въз основа на теоретични изчисления на ефективността, с която тъмен фотон може да произведе такова възбуждане.”

За да демонстрират практичността на предложения от тях метод, Gabrielse и колегите му го използваха, за да съберат първоначално измерване, използвайки един електрон. Това изпитание показа, че тяхната стратегия е била без заден план за търсене, продължило малко повече от 7 дни.

Изследователите също успяха да зададат нова граница на тъмнината фотон тъмна материя, по-специално при 148 GHz (0,6 meV). В бъдеще тяхната работа може да проправи пътя за нови изследвания, насочени към оценка и използване на предложената от тях стратегия за търсене на meV тъмни фотони.

„Най-забележителното постижение на нашата работа е конкретната демонстрация на изцяло нов метод за търсене на meV тъмна материя”, добави Габриелсе. „Сега планираме да направим широко търсене на meV тъмни фотони в апарат, който е предназначен за това. Апаратът, в който се проведе демонстрационното измерване, беше оптимизиран за теснолентови измервания на електронен магнитен момент, докато новият апарат и новите идеи, които разработваме, ще позволят широки търсения.”

Повече информация:
Xing Fan et al, Едноелектронен квантов циклотрон като мили-eV тъмен фотонен детектор, Писма за физически преглед (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.261801

© 2023 Science X Network

Цитат: Проучването демонстрира нов метод за търсене на meV тъмни фотони (2023 г., 25 януари), извлечено на 26 януари 2023 г. от https://phys.org/news/2023-01-method-mev-dark-photons.html

Този документ е обект на авторско право. Освен всяко честно отношение за целите на частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писмено разрешение. Съдържанието се предоставя само за информационни цели.