Resonansfrekvensen for en hulromsresonator endres ved å bevege søkestangen. Hvis resonansfrekvensen tilsvarer frekvensen der fotoner er koblet til aksioner, genereres det en effekt.
Resonansfrekvensen for en hulromsresonator endres ved å bevege søkestangen. Hvis resonansfrekvensen tilsvarer frekvensen der fotoner er koblet til aksioner, genereres det en effekt. (Illustrasjon: C. Boutan/Pacific Northwest National Laboratory og APS/Alan Stonebraker)

Mørk materie

Astrofysikere er overbevist om at mørk materie utgjør en stor del av den totale massen i universet. Nytt eksperiment gir håp om å finne bevis

Superfølsomt eksperiment.

  • astrofysikk

Det feilslåtte søket etter mørk materie i form av WIMPs har økt interessen for alternative teorier for mørk materie. Ved bruk av superledende kvante-forsterkere settes jakten nå for alvor inn mot de hypotetiske aksionene.

– I 20 år har vi lett etter WIMPs (Weakly-Interacting Massive Particles) uten å finne noe. Nå er det aksionenes tur, sier fysikeren Andrew Sonnenschein fra Fermilab i USA.

WIMPs og aksioner er begge hypotetiske partikler som kan utgjøre den mørke materien som de aller fleste av astrofysikerne og kosmologene utifra en lang rekke observasjoner er overbeviste om finnes, og som utgjør en stor del av den totale massen og energien i universet – og mer enn det som finnes i vanlig materie i galakser, stjerner, planeter og lignende.

Physical Review Letters redegjør forskerne bak Axion Dark Matter eXperiment (ADMX) for at de nå har et oppsett som endelig er følsomt nok til å detektere et signal fra aksioner – forutsatt at disse altså finnes.

Kan ta år

Eksperimentet er basert på den teoretiske forutsetningen at det hele tiden finnes et aksion-signal ved en bestemt frekvens. Hvis man på denne måten kan lage et oppsett som en radiomottager kan kjøre alle mulige frekvenser gjennom, kan man bare ganske langsomt vri på søkeknappen. På et eller annet tidspunkt vil man dermed fange opp signalet.

Det fine ved dette prinsippet er at hvis signalet først blir funnet, vil det alltid være der, og det vil være enkelt å gjenta eksperimentet og overbevise seg om at det er korrekt.

Ulempen ved dette er at det kan ta mange år å søke gjennom hele frekvensbåndet. Så selv om en oppdagelse i prinsippet kan komme allerede i morgen, kan det også ta mye lenger tid.

 Nobelprisvinneren Frank Wilczek navnga aksioner etter et rengjøringsmiddel. «Since they clean up a problem with an axial current,» har han forklart.  Foto: bayanmall.com

Det vriene er at man må ha en svært følsom mottaker. Det har man hittil ikke hatt, men nå kunngjør ADMX altså i den vitenskapelige artikkelen og i en pressemelding at det problemet er løst.

Prinsippet ble utviklet i 1983

Deteksjonsprinsippet i ADMX kalles et haloskop, og ble beskrevet i en artikkel i Physical Review Letters allerede i 1983. Navnet har sin opprinnelse i at partiklene av mørk materie antas å befinne seg i en halo omkring Melkeveien og andre galakser.

Aksionene kan i svært sjeldne tilfeller omdannes til fotoner i et sterkt magnetisk felt.

Denne veldig svake koblingen mellom aksioner og fotoner kan forsterkes i en resonator. Og ADMX har nå utviklet et ny superfølsom forsterker som kan brukes til å registrere signalet fra resonatoren.

Detektoren er kjølt ned til en temperatur på 0,1° kelvin for å minimere termisk støy. For å redusere den elektroniske støyen har man erstattet vanlige transistorforsterkere med en såkalt Microstrip SQUID Amplifier (MSA), der støyen bare er begrenset av Heisenbergs usikkerhetsrelasjon.

– Og dermed kan det ikke gjøres bedre, sier professor John Clarke fra University of California i Berkeley, som har mange års erfaring med å bygge SQUIDs – Superconducting Quantum Inteference Devices.

Han står bak grunnkonstruksjonen av forsterkeren, som deretter har blitt bygd av Gene Hilton fra National Institute of Standards and Technology i Boulder, Colorado.

Ikke bruk for mirakler

I den nye forskningsartikkelen viser ADMX-gruppen at oppsettet fungerer som forventet.

– Vi trenger ikke lenger et mirakel for å finne aksioner. Vi trenger bare tid, sier professor Leslie Rosenberg fra University of Washington, som er vitenskapelig leder for ADMX.

Fermilab har produsert denne korte videoen der forskerne forklarer og beskriver eksperimentet.

Artikkelen ble først publisert hos Ingeniøren.dk

Kommentarer (14)

Kommentarer (14)