21 november 2019

‘Axionradio’ ontworpen voor detectie donkere materie

Een onderzoeksteam van de Universiteit van Stockholm heeft een experiment ontworpen waarmee ze naar donkere materie gaan ‘luisteren’. Het experiment heeft men  ‘axionradio’ genoemd. Een axion is een hypothetisch elementair deeltje dat DM mogelijk zou kunnen verklaren. Meer dan 85 procent van alle materie in het universum is nog van onbekende oorsprong, het bestaan uit zich alleen in de zwaartekracht interacties met reguliere materie. Om meer van deze mysterieuze donkere materie of DM te weten te komen zijn reeds in de loop der jaren veel verschillende experimenten uitgevoerd om te proberen signalen van verschillende voorgestelde donkere materiedeeltjes op te pikken. In de afgelopen jaren elimineerde de HADES-deeltjesdetector ‘donkere fotonen’ als kandidaat, en LUX en XENON1T bleken leeg te zijn tijdens het zoeken naar zwak reagerende massieve deeltjes (WIMP’s).

Donkere materie Chandra X-Ray telescoop Credits: NASA / CXC/ U. Victoria/ A. Mahdavi e.a.. Optical/Lensing: CFHT/ U. Victoria/ A. Mahdavi e.a.

Maar een verklaring die nog steeds mogelijk is, is een hypothetisch elementair deeltje dat axion wordt genoemd. Er wordt aangenomen dat axionen geen afzonderlijke deeltjes zouden zijn, maar zich gedragen als golven, die door de ruimte stromen en slechts zelden wisselwerken met normale materie. In het bijzonder wordt gedacht dat axionen zwakke – maar detecteerbare – interacties hebben met elektriciteit en magnetisme, en dit is misschien hoe ze zich uiteindelijk openbaren. De onderzoekers van Stockholm ontwierpen een nieuw experiment dat kan luisteren naar dit soort interacties. De detector zou bestaan uit een kamer gevuld met een koud plasma, met een bos ultradunne draden welke hier doorheen lopen. Het geheel zou worden ingekapseld in een grote, krachtige magneet. Het onderzoek werd 1 oktober j.l. gepubliceerd in het wetenschappelijk tijdschrift Physical Review Letters*.

Axion radio ontwerp, met de axionen (golflijnen) erdoorheen passerend Credits; Alexander Millar Van de Universiteit van Stockholm

Het idee is dat binnen dit magnetische veld eventuele axionen een klein elektrisch veld produceren. Dat zou op zijn beurt oscillaties in het plasma veroorzaken die vervolgens kunnen worden gedetecteerd als bewijs van de axionen zelf. Door die draden dichter bij elkaar of verder uit elkaar te plaatsen, kan dit apparaat worden afgestemd als een radio om precies de juiste frequentie van de axionen te vinden. Axionen kunnen zonder het koude plasma niet efficiënt in licht worden omgezet, ”zegt Matthew Lawson, een auteur van de studie . “Het plasma speelt een tweeledige rol, zowel het creëren van een omgeving die efficiënte conversie mogelijk maakt als het verschaffen van een resonant plasmon** om de energie van de omgezette donkere materie te verzamelen.”

Dit ontwerp verschilt van eerdere pogingen om axionen te vinden. Een paar jaar geleden controleerde het nEDM-experiment of neutronen, bewaard in een zeer gecontroleerde omgeving vrij van interferentie, hun spin na verloop van tijd zouden veranderen. Als dit het geval is, kan dit wijzen op axionen. Een ander experiment, ABRACADABRA genaamd, gebruikte een ringvormige magneet. Technisch gezien zou er geen magnetisch veld in het midden moeten zijn – maar als axionen overal rondzweven, zouden ze er een in die dode zone kunnen creëren. Beide experimenten kwamen met lege handen. Maar een nulresultaat sluit niet noodzakelijkerwijs het bestaan van axionen uit – het betekent alleen dat ze mogelijk kleinere massa’s hebben of zwakkere interacties. Het mooie van het nieuwe experimentele ontwerp is dat het koude plasma elk potentieel signaal zou versterken, zodat deze zwakkere interacties zouden kunnen worden gedetecteerd. De onderzoekers zeggen dat hun systeem ook relatief eenvoudig kan worden opgeschaald.

“Dit is absoluut een nieuwe manier om naar donkere materie te zoeken en zal ons helpen zoeken naar een van de sterkste kandidaten voor donkere materie in gebieden die gewoon volledig onontgonnen zijn”, zegt Alexander Miller, een auteur van de studie. “Het bouwen van een afstembaar plasma zou ons in staat stellen om veel grotere experimenten te doen dan traditionele technieken, die veel sterkere signalen geven bij hoge frequenties.” Hoewel het ontwerp voorlopig theoretisch blijft, is het concept al in ontwikkeling voor praktische experimenten op basis van het idee. Bron; New Atlas / Phys.Rev.Let.

*’Tunable Axion Plasma Haloscopes’ M. Lawson, A.J. Miller, M.Pancaldi, E. Vitagliano, F. Wilxzek, Phys. Rev. Lett. 123, 141802 1 oktober 2019
**een plasmon is een kwantum van plasma-oscillatie. Net zoals licht (een optische oscillatie) uit fotonen bestaat, bestaat de plasma-oscillatie uit plasmonen.

Speak Your Mind

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.