Ein Astroteilchenteleskop für dunkle Materie

Die Kästchen zeigen, wie sich Galaxienfilamente und Superaggregate im Laufe der Zeit, Milliarden von Jahren nach dem Urknall, zu aktuellen Strukturen entwickeln. Bildnachweis: Bearbeitung der Arbeit durch CXC / MPE / V. Springel

Die Entdeckung des Axions würde eine Schlüsselepisode in der Geschichte der Wissenschaft markieren. Dieses hypothetische Teilchen könnte gleichzeitig zwei grundlegende Probleme der modernen Physik lösen: das Problem der Ladung und Parität in der starken Wechselwirkung und das Geheimnis der dunklen Materie. Trotz des großen wissenschaftlichen Interesses an seiner Forschung wurde die Forschung bei hohen Funkfrequenzen – über 6 GHz – fast ausgelassen, da es an hochempfindlicher Technologie mangelte, die zu angemessenen Kosten gebaut werden konnte. Bisher.

Das Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) wird an einer internationalen Zusammenarbeit zur Entwicklung des DALI (Dunkle Photonen und Axion-Wie ein Partikelinterferometer), ein Astroteilchenteleskop für dunkle Materie, dessen wissenschaftliches Ziel die Suche nach Axionen und Paraphotonen im 6- bis 60-GHz-Band ist. Der Prototyp, ein Proof of Concept, befindet sich derzeit in der Entwurfs- und Fertigungsphase des IAC. das weißes Papier Die Beschreibung des Experiments wurde zur Veröffentlichung in der Zeitschrift für Kosmologie und Astroteilchenphysik (JCAP).

In den 1970er Jahren theoretisch vorhergesagt, ist das Axion ein hypothetisches Teilchen mit geringer Masse, das schwach mit Standardteilchen wie Nukleonen und Elektronen sowie mit Photonen interagiert. Diese vorgeschlagenen Wechselwirkungen werden untersucht, um das Axion mit verschiedenen Instrumententypen zu erfassen. Eine vielversprechende Technik besteht darin, die Wechselwirkung von Axionen mit Standardphotonen zu untersuchen.

„Axionen mischen sich unter Einwirkung eines starken externen Magnetfelds mit Photonen, wie sie beispielsweise von supraleitenden Magneten in Partikeldetektoren oder für die medizinische Diagnose durch Magnetresonanz erzeugt werden, und erzeugen ein schwaches Funksignal oder eine schwache Mikrowelle. Dieses Signal wurde seit Ende der 80er Jahre in einer Vielzahl von Experimenten gesucht, und es ist genau das Signal, das wir jetzt mit DALI erfassen möchten, wenn auch in einem neuen, fast unerforschten Bereich von Parametern, auf den zum ersten Mal zugegriffen werden kann. Zeit dank dieser Erfahrung “, erklärt Javier De Miguel, Forscher am IAC und Erstautor der Studie.

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Die ersten Axiondetektoren, die in den 80er und 90er Jahren hergestellt wurden, verwendeten einen Resonanzhohlraum, der innerhalb eines Supermagneten das vom Axion vorhergesagte schwache Mikrowellensignal verstärkte und versuchte, es in einen von wissenschaftlichen Instrumenten nachweisbaren Leistungsbereich zu bringen. Leider ist die Größe des Hohlraums umgekehrt proportional zur Abtastfrequenz, und für das Axion waren die Hohlräume zu klein, um für Frequenzen über etwa 6 GHz hergestellt zu werden.

Aus diesem Grund vereint das neue Experiment die vielversprechendsten Hochfrequenz-Scantechniken und schließt sie in ein praktisches Design ein, zu dem auch die Fähigkeit von Astroteilchendetektoren für axionische Dunkle Materie hinzugefügt wird. Auf diese Weise enthält DALI einen leistungsstarken supraleitenden Magneten, einen Achsendetektor mit einem neuen Resonator, um das durch die Axionen verursachte schwache Signal erkennbar zu machen, und eine Altazimuthalterung, mit der Objekte und Regionen des Himmels nach dunkler Materie durchsucht werden können.

Auf diese Weise könnte DALI beim Nachweis des Axions helfen, eines pseudoskalaren Partikels, dessen Natur dem des Higgs-Bosons ähnelt, das 2012 in entdeckt wurde CERNund ein vielversprechender Kandidat für dunkle Materie. Dunkle Materie ist ein grundlegender Bestandteil des Universums, der sehr schwach mit gewöhnlicher Materie interagiert und daher sehr schwer direkt zu erkennen ist. Die Entdeckung dieser Materie würde es uns jedoch ermöglichen, die Rotationskurven von Spiralgalaxien zu erklären und warum sich die Struktur in bildet Das Universum hat sich unter anderem wie bisher entwickelt.

Referenz: “Ein Teleskop aus dunkler Materie, das das 6- bis 60-GHz-Band untersucht” von Javier De Miguel, 28. April 2021, Zeitschrift für Kosmologie und Astroteilchenphysik.
DOI: 10.1088 / 1475-7516 / 2021/04/075

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