Lõuna-Korea füüsikud on lihvinud oma detektorit hüpoteetiliste tumeaine osakeste, mida nimetatakse aksioonideks, jaoks, laenates kontseptsioone ebatõenäolistest allikatest: kummalistest konstruktsioonidest, mida nimetatakse metamaterjalideks, ja kirigami, origami vormi, milles paberit saab nii lõigata kui ka voltida. Nende uuendus, mida kirjeldatakse ajakirjas Physical Review Letters avaldatud artiklis, võib aidata aksioniküttidel avastada karjääri, mis praeguste detektorite eest kõrvale hiiliks.
"See on väga nutikas idee ja tundub, et nad tegid selle elluviimisel head tööd," ütleb Aaron Chou, Fermi riikliku kiirendi labori kvantfüüsik. "On palju pabereid, mis ütlevad, et võiksite midagi sellist ehitada," ütleb Washingtoni ülikooli (UW) osakeste astrofüüsik Gray Rybka. "Nad ehitasid selle."
Aksioonid on üks võimalik lahendus tumeaine kosmilisele müsteeriumile, nähtamatule ainele, mis näib andvat suurema osa gravitatsioonist, mis on vajalik galaktikate tükkideks keerlemise vältimiseks. Arvatavasti koosneb see mingist uut tüüpi osakestest ja aastakümneid on füüsikud asjata jahtinud peamisi kahtlusaluseid, nõrgalt interakteeruvaid massiivseid osakesi. Mõned on järginud ka aksioni, peaaegu massitu osakest, mis algselt pakuti välja erineva probleemi lahendamiseks tugeva tuumajõu teooriaga.
Kui need on olemas, peaksid aksioonid suhtlema magnetväljaga, et muutuda tuvastatavateks footoniteks. Näiteks UW Axion Dark Matter Experiment (ADMX) koosneb 30 sentimeetri laiusest ja 1 meetri pikkusest metallsilindrist, mis on jahutatud peaaegu absoluutse nullini ja asub magnetis, mille väli on 8 Tesla, mis on mitu korda tugevam kui kaubanduslikul MRI-l. masin. Välja läbivad teljed muutuvad kuskil raadioulatuses footoniteks, mille sagedus on võrdeline aksioni massiga.
ADMX-i silinder toimib selle signaali tuvastamiseks antennina. Olenevalt selle mõõtmetest heliseb silinder kindla sagedusega raadiolainetega, nagu pudel vilistab määratud kõrgusega helilainetega, kui puhute üle selle suu. Füüsikud saavad reguleerida silindri resonantssagedust, püüdes sobitada ja võimendada mis tahes telgede pisikest raadiosignaali, paigutades ümber ühe või kaks tsentrist väljas olevat häälestusvarda. ADMX on skaneerinud sagedusi vahemikus 0,6 kuni 1,1 gigahertsi ja ei leidnud midagi, välistades aksioonid massiga 2,7 kuni 4,3 mikroelektronvolti (µeV) kui tumeaine ainsa allikana.
Kuid hiljutised teoreetilised tööd näitavad, et aksioon võib olla raskem. Kõrgemate sageduste ja suuremate masside saavutamiseks saavad füüsikud kambrit väiksemaks muuta. Kuid see vähendab selle tundlikkust, kuna silindri resonantssageduse kahekordistamine nõuaks selle kahandamist kaheksandikuni selle algsest mahust. Sellepärast plaanivad ADMX-i teadlased oma seadmes kokku panna neli väiksemat kambrit, mis on suurem ülesanne, kui see kõlab.
Selle asemel, et seadet kokku tõmmata, otsustasid Lõuna-Korea alusteaduste instituudi füüsik SungWoo Youn ja kolleegid kasutada sama õõnsuse kõrgema sagedusega resonantsi või režiimi. Nii nagu pudel võib laulda kõrgemalt, kui seda otsesemalt sisse puhuda, võib ka metallist silinder heliseda teatud kõrgema sagedusega raadiolainetest. "Kõrgema järjestuse režiimi kasutades saate põhimõtteliselt sagedust üsna loomulikult suurendada, ilma helitugevust kaotamata," ütleb Youn.
Siiski on konks. Õõnsuse madalaimas režiimis võngub raadiolainete elektriväli piki õõnsuse telge ühtlaselt üles-alla. Järgmises kõrgema sagedusega režiimis on õõnsuse keskmes ja selle välimises piirkonnas elektriväljad suunatud vastassuundadesse ja võnkuvad sünkroonist välja, mis piiraks dramaatiliselt aksioonide muundumist footoniteks.
Selle probleemi lahendamiseks asetasid Youn ja kolleegid oma õõnsuse keskele isolatsioonimaterjalist vardad. Vardad neelaksid suurema osa sealsest elektriväljast, võimaldades samal ajal täisjõul varrastest kaugemale võnkuda, taastades konversioonimäära. Teised olid sarnaseid asju teinud, märgib Rybka, kuid varasemad jõupingutused panid kõrgema režiimi resonaatori ühel sagedusel tugevalt helisema või muutsid selle häälestatavaks, mitte mõlemaks.
Youn ja tema kolleegid pääsesid sellest ummistusest mööda, laenates idee metamaterjalidest, diskreetsete osade kogumitest, mis toimivad nagu pidevad materjalid ja millel võivad olla uudsed omadused. Pikkus venitades tõmbub tavaline materjal, näiteks kumm, laiuselt kokku. Metamaterjali saab kujundada nii, et see venitades laieneb igas suunas. Kirigamis saab paberitüki mustriga samamoodi laiendada, nagu Youn õhtusöögi ajal kolleegi isalt õppis.
Youn ja kolleegid paigutasid oma seitse isolatsioonivarda kirigami-inspireeritud kuusnurksesse massiivi, mis käigu pööramisel laieneb, et muuta kõrgema režiimi sagedust. Oluline on see, et massiiv laieneks sümmeetriliselt, tagades režiimi tugeva resoneerimise. Aksiooni- ja täppisfüüsika uurimiskeskuses (CAPP) tehtud testis otsisid nad aksioone vahemikus 21.38–21.79
µeV, saavutades rekordilise tundlikkuse selles vahemikus 2 nädala jooksul ja suhteliselt kõrgel temperatuuril. "Ta võtab ühest õõnsusest välja viis [väikest] õõnsust," ütleb Rybka. "See muudab vahet."
Sellegipoolest saab uue resonaatori sagedust häälestada vaid umbes 5%, märgib Rybka. Seega võib paljude sageduste ja telje masside katmine siiski nõuda õõnsuste seeriat. Teadlased peavad ka näitama, et absoluutsele nullile lähedasematel temperatuuridel, mis maksimeerivad tundlikkust, ei tekita häälestusmehhanismi käigud rohkem soojust, kui jahutussüsteem suudab taluda, ütleb Chou. Siiski ütleb ta, et tehnoloogiast võib saada kasulik tööriist aksioniküttide jaoks. Youn ja kolleegid on selle juba rakendanud ühes CAPPi neljast "tootmisseadmest" ja töötavad sellega praegu.
Lisateave: https://www.science.org/content/article/physicists-borrow-origami-extend-range-dark-matter-search
