آزمایش SRF تاریک در Fermilab حساسیت فوق العاده را برای جستجوی فوتون های تاریک نشان می دهد
نیوزویز – دانشمندانی که روی آزمایش Dark SRF در آزمایشگاه شتاب دهنده ملی فرمی وزارت انرژی ایالات متحده کار می‌کنند، حساسیت بی‌سابقه‌ای را در یک مجموعه آزمایشی مورد استفاده برای جستجوی ذرات تئوری‌شده به نام فوتون‌های تاریک نشان داده‌اند.
محققان فوتون‌های معمولی بدون جرم را در دستگاه‌هایی به نام حفره‌های فرکانس رادیویی ابررسانا به دام انداختند تا به دنبال انتقال آن فوتون‌ها به همتایان بخش تاریک فرضی خود باشند. این آزمایش بهترین محدودیت جهان را برای وجود فوتون‌های تاریک در یک محدوده جرمی خاص فراهم کرده است، همانطور که اخیراً در نامه معاینه فیزیکی.
رونی هارنیک، محقق مرکز مواد و سیستم‌های کوانتومی ابررسانا تحت میزبانی Fermilab و یکی از نویسندگان این مطالعه، گفت: فوتون تاریک یک کپی کربنی از فوتونی است که ما می‌شناسیم و دوستش داریم، اما با چند تغییر.
نوری که به ما اجازه می دهد ماده معمولی را در جهان خود ببینیم از ذراتی به نام فوتون تشکیل شده است. اما ماده معمولی تنها بخش کوچکی از همه مواد است. جهان ما پر از یک ماده ناشناخته به نام است ماده تاریککه 85 درصد کل مواد را تشکیل می دهد. مدل استاندارد، که ذرات و نیروهای شناخته شده را توصیف می کند، ناقص است.
در ساده ترین نسخه نظریه پردازان، یک نوع کشف نشده ماده تاریک ذره می تواند همه چیز را توضیح دهد ماده تاریک در جهان. اما بسیاری از دانشمندان گمان می کنند که بخش تاریک جهان دارای ذرات و نیروهای مختلف است. برخی از آنها ممکن است برهمکنش های پنهانی با ذرات و نیروهای ماده معمولی داشته باشند.
همانطور که یک الکترون دارای کپی هایی است که از جهاتی با هم متفاوت هستند، از جمله میون و تاو، فوتون تاریک با فوتون معمولی متفاوت است و جرم دارد. از نظر تئوری، پس از تولید، فوتون‌ها و فوتون‌های تاریک می‌توانند با سرعت مشخصی که توسط خواص فوتون تاریک تعیین می‌شود، به یکدیگر تبدیل شوند.
استفاده نوآورانه از حفره های SRF
برای جستجوی فوتون های تاریک، محققان نوعی آزمایش به نام آزمایش درخشش از طریق دیوار انجام می دهند. این روش از دو حفره فلزی توخالی برای تشخیص تبدیل یک فوتون معمولی به a استفاده می کند ماده تاریک فوتون دانشمندان فوتون های معمولی را در یک حفره ذخیره می کنند در حالی که دیگری را خالی می گذارند. آنها سپس به دنبال ظاهر فوتون ها در حفره خالی می گردند.
محققان Fermilab در مرکز SQMS سالها تجربه کار با حفره های SRF را دارند که عمدتاً در شتاب دهنده های ذرات استفاده می شود. محققان مرکز SQMS قبلا از حفره های SRF برای اهداف دیگری مانند محاسبات کوانتومی و ماده تاریک جستجو به دلیل توانایی آنها در ذخیره و استفاده از انرژی الکترومغناطیسی با راندمان بالا.
الکساندر روماننکو، رئیس فناوری کوانتومی در مرکز SQMS گفت: «ما به دنبال کاربردهای دیگری با حفره‌های RF ابررسانا بودیم و من در مورد این آزمایش‌ها یاد گرفتم که در آن از دو حفره مسی در کنار یکدیگر برای آزمایش نوری که از دیوار می‌تابد استفاده می‌کنند. . فوراً برای من واضح بود که می‌توانیم با حفره‌های SRF حساسیت بیشتری نسبت به حفره‌های مورد استفاده در آزمایش‌های قبلی نشان دهیم.»
این آزمایش نشان دهنده اولین نمایش استفاده از حفره های SRF برای انجام آزمایش درخشش از طریق دیوار است.
حفره های SRF مورد استفاده روماننکو و همکارانش قطعات توخالی نیوبیم هستند. هنگامی که این حفره ها تا دمای بسیار پایین سرد می شوند، فوتون ها یا بسته های انرژی الکترومغناطیسی را به خوبی ذخیره می کنند. برای آزمایش Dark SRF، دانشمندان حفره های SRF را در حمامی از هلیوم مایع تا حدود 2 K، نزدیک به صفر مطلق، خنک کردند.
در این دما، انرژی الکترومغناطیسی بدون زحمت از نیوبیم عبور می کند و این حفره ها را در ذخیره فوتون ها کارآمد می کند.
ژن لیو، فیزیکدان مرکز SQMS، یکی از نویسندگان این مطالعه، گفت: «ما در حال توسعه طرح‌های مختلفی هستیم که سعی می‌کنیم با احتمالات و چالش‌های جدیدی که توسط این حفره‌های ابررسانا با کیفیت فوق‌العاده برای این آزمایش نور از طریق دیوار ایجاد می‌شود، مقابله کنیم. و یکی از اعضای تیم سنجش در دانشگاه مینه سوتا.
اکنون محققان می توانند از حفره های SRF با فرکانس های تشدید متفاوت برای پوشش بخش های مختلف محدوده جرم بالقوه فوتون های تاریک استفاده کنند. این به این دلیل است که اوج حساسیت به جرم فوتون تیره به طور مستقیم با فرکانس فوتون های معمولی ذخیره شده در یکی از حفره های SRF مرتبط است.
لیو که روی تجزیه و تحلیل داده‌ها و طراحی این چک کار می‌کرد، گفت: «تیم آزمایش را پیگیری و بررسی‌های متقابل زیادی انجام داد. حفره‌های SRF فرصت‌های جستجوی جدیدی را باز می‌کنند. این واقعیت که ما مناطق پارامتر جدیدی را برای جرم فوتون تاریک پوشش داده‌ایم، موفقیت، رقابت و نوید بزرگ آنها را برای آینده نشان می‌دهد.
آنا گراسلینو، مدیر مرکز SQMS و یکی از همکاران PI از مرکز SQMS گفت: آزمایش Dark SRF راه را برای کلاس جدیدی از آزمایش‌های تحت بررسی در مرکز SQMS هموار کرد، جایی که این حفره‌های Q بسیار بالا به عنوان آشکارسازهای بسیار حساس استفاده می‌شوند. آزمایش “از جانب ماده تاریک برای جستجوی امواج گرانشی، تا آزمایش‌های اساسی مکانیک کوانتومی، کارآمدترین حفره‌های جهان به ما کمک می‌کنند تا نکاتی از فیزیک جدید را کشف کنیم.»
آزمایشگاه ملی فرمی توسط دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی می شود. دفتر علوم بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه کنید به Science.energy.gov.
