ADMX: przełom w detekcji ciemnej materii?

Czterdzieści lat temu naukowcy wymyślili nowy rodzaj cząsteczki o niewielkiej masie, która może rozwiązać jedną z największych tajemnic natury: pochodzenie ciemnej materii. Teraz rozpoczął się nowy rozdział w poszukiwaniach tej cząstki.

Jedna z teorii fizycznych sugeruje, że ciemna materia, która spaja galaktyki, może składać się z ogromnej liczby cząsteczek o niskiej masie, niezwykle trudnych do wykrycia podczas ich podróży przez Wszechświat. Już w latach 80 podjęto pewne wysiłki mające na celu znalezienie tej cząstki, którą teoretyk Frank Wilczek nazwał aksjonem. Zakończyły się one jednak niepowodzeniem.

Jednak w zeszłym miesiący detektor ADMK (ang. Axion Dark Matter Experiment) odkrył przed nami ciekawy wynik badań (już opublikowany w prestiżowym Physical Review Letters): po raz pierwszy w historii osiągnięto czułość pozwalającą na "usłyszenie" sygnałów związanych z cząstkami ciemnej materii. Ten przełom technologiczny jest rezultatem ponad 30 lat badań, a sam detektor jest urzędzeniem kwantowym.

ADMX to tak zwany haloskop - duży, niskoszumowy odbiornik radiowy, który naukowcy dostrajają do różnych częstotliwości i słuchają za jego pomocą "śladów" różnych cząstek. Aksjony prawie nigdy nie wchodzą w interakcję z materią, ale przy pomocy silnego pola magnetycznego i zimnego, ciemnego, odpowiednio dostrojonego, odblaskowego pudła ADMX może usłyszeć fotony powstałe wówczas, gdy aksjony przekształcają się w fale elektromagnetyczne wewnątrz takiego detektora. Co ciekawe, ta metoda detekcji została opracowana już w roku 1983 (przez Pierre'a Sikivie'a). Jednak dopiero niedawno zespół naukowy ADMX był w stanie wykorzystać w nim dodatkowo nadprzewodnikowe wzmacniacze kwantowe, umożliwiając eksperymentowi osiągnięcie nieosiągalnej wcześniej czułości. Poprzednie doświadczenia z udziałem ADMX były nieudane głównie ze względu na szumy generowane przez promieniowanie cieplne i wbudowaną elektronikę urządzenia.

Bezprecedensową czułość ADMX osiąga dziś także po części dzięki cichemu wzmacniaczowi kriogenicznemu, który jest w nim użyty jako drugi stopień odbiornika. Ten specjalnie zaprojektowany wzmacniacz, opracowany pierwotnie w amerykańskim NRAO dla odbiornika głównego radioteleskopu w Green Bank, idealnie nadaje się dla ADMX, nawet gdy pracuje w silnym polu magnetycznym.
 
ADMX jest zarządzany przez Krajowe Laboratorium Akceleratora Fermiego należące do Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych. Znajduje w Waszyngtonie. Najnowsze wyniki określiły limity dla niewielkiego wycinka zakresu częstotliwości, na jakich "słychać" egzotyczne cząstki. Ale to dopiero początek badań. Polowanie na aksjony dopiero się bowiem rozpoczyna i potrawa nawet kilka lat. ADMX przetestuje miliony częstotliwości. Jeśli znajdzie cząstki, będzie to wielkie odkrycie, które może wyjaśnić nie tylko ciemną materię, ale i inne sekrety Wszechświata. Jeśli ich nie znajdzie, być może zmusi teoretyków do opracowania nowych hipotez i rozwiązań.
 


Czytaj więcej:

 

Źródło: NRAO

Na zdjęciu: wnętrze podziemnego detektora ADMX.
Źródło: Mark Stone/University of Washington