Bilim insanları açık renkli karanlık maddeyi aramak için yeni bir yöntem önerdi

Yeni araştırmalar Fiziksel İnceleme Mektupları (PRL), bu adaylar tarafından üretilen salınımlı elektrik alanlarını ölçmek için lazer interferometri kullanarak açık karanlık madde adaylarını tespit etmek için yeni bir yöntem önermiştir.

Karanlık madde parçacıklarının yakalanması ve tespit edilmesinin zor olması nedeniyle, karanlık madde modern fiziğin en acil sorunlarından biridir. Bu, bilim adamlarını bu parçacıkları aramak için yeni ve yenilikçi yollar bulmaya teşvik etti.

WIMP’ler, hafif karanlık madde parçacıkları (axionlar) ve varsayımsal gravitino gibi karanlık madde parçacıkları için çeşitli adaylar vardır. QCD (kuantum kromo dinamiği) ekseni gibi bozonik parçacıklar da dahil olmak üzere açık karanlık madde, son yıllarda ilgi odağı haline geldi.

Bu parçacıklar tipik olarak standart modelle bastırılmış etkileşimlere sahiptir ve bu da onları tespit etmeyi zorlaştırır. Bununla birlikte, dalga benzeri davranışları ve galaktik ölçeklerdeki tutarlı doğaları da dahil olmak üzere özelliklerini bilmek, daha verimli deneyler tasarlamaya yardımcı olur.

İçinde yeni PRL çalışmakMaryland Üniversitesi ve Johns Hopkins Üniversitesi’nden araştırmacılar, geniş bir kütle aralığında hem eksen hem de karanlık foton karanlık maddesini tespit etmek için yeni bir yaklaşım olan Elektro-Optiklerden Yararlanan Galaktik Axion Lazer İnterferometreyi veya GALILEO’yu önerdiler.

Maryland Üniversitesi Kuantum Teknoloji Merkezi’nde (QTC) yüksek lisans öğrencisi olan baş araştırmacı Reza Ebadi, Phys.org’a araştırma ve bu yeni yaklaşımı geliştirme motivasyonları hakkında şunları söyledi: “Standart model, çeşitli fenomenlerin başarılı açıklamalarını sunmasına rağmen Nükleerin altındaki uzaklıklardan evrenin büyüklüğüne kadar bu, doğanın tam bir açıklaması değil.”

“Karanlık maddenin varlığının anlaşıldığı kozmolojik gözlemleri açıklamakta başarısız oluyor. Küçük ölçekli laboratuvar deneylerini kullanarak galaktik ölçeklerde işleyen fiziksel teoriler hakkında fikir sahibi olmayı amaçlıyoruz.”

Aksiyonlar ve eksen benzeri parçacıklar

Eksen ve eksen benzeri parçacıklar başlangıçta parçacık fiziğindeki güçlü yük paritesi (CP) sorunu gibi sorunları çözmek için önerildi. Bu sorun, güçlü kuvvetin, teorinin öngördüğü kadar, CP ihlali adı verilen özel bir tür simetri ihlali sergilemediği gözleminden kaynaklanmaktadır.

Bu teorik çerçeve, doğal olarak, her ikisi de bozon olan eksenlerle benzer özellikleri paylaşan eksen benzeri parçacıkların ortaya çıkmasına neden olur.

Eksenlerin ve eksen benzeri parçacıkların, tipik olarak mikroelektronvolttan milielektronvolt’a kadar değişen çok düşük kütlelere sahip olduğu tahmin edilmektedir. Galaktik ölçeklerde dalga benzeri davranışlar sergileyebildikleri için bu onları açık karanlık madde için uygun adaylar haline getiriyor.

Düşük kütlelerine ek olarak, eksenler ve eksen benzeri parçacıklar sıradan maddeyle çok zayıf etkileşime giriyor, bu da onların geleneksel yöntemlerle tespit edilmesini zorlaştırıyor.

Araştırmacıların deney düzeneklerinde bu parçacıkları tespit etmeyi seçmesinin bazı nedenleri bunlar. Ancak yöntem, bu parçacıkların ürettiği salınımlı elektrik alanlarına dayanıyor.

Önemli karanlık madde yoğunluğuna sahip bölgelerde eksenler ve ALP’ler tutarlı salınımlara maruz kalabilir. Bu tutarlı salınımlar, önerilen GALILEO deneyinin ölçmeyi amaçladığı salınımlı elektrik alanları gibi tespit edilebilir sinyallere yol açabilir.

GALİLEO

“Hafif karanlık madde adayları güneş çevresinde dalgalar gibi davranıyor. Bu tür karanlık madde dalgalarının, elektromanyetizma ile çok küçük etkileşimleri nedeniyle, manyetik alanlarla birlikte çok zayıf salınımlı elektrik alanlarına neden olduğu tahmin ediliyor.”

Ebadi, “Mevcut ve önerilen deneylerin çoğunda hedef sinyal olan manyetik alan yerine elektrik alanının tespitine odaklandık” dedi.

Açık karanlık maddenin neden olduğu elektrik alanları, harici elektrik alanının kırılma indisi gibi malzemenin özelliklerini değiştirdiği elektro-optik malzemeler kullanılarak tespit edilebilir.

GALILEO, kırılma indisindeki değişiklikleri ölçebilen bir cihaz olan asimetrik Michelson interferometresini kullanır. İnterferometrenin bir kolu elektro-optik malzemeyi içerir.

Bir prob lazer ışını bölünüp interferometrenin iki kolundan gönderildiğinde, elektro-optik malzemeyi içeren kol değişken bir kırılma indisi sağlar. Kırılma indisindeki bu değişiklik, lazer ışınının fazını etkiler ve ışınlar tekrar bir araya geldiğinde salınımlı bir sinyal oluşmasına neden olur.

GALILEO, interferometrenin iki kolu arasındaki diferansiyel faz hızını ölçerek açık karanlık maddenin neden olduğu salınımın frekansını tespit edebilir. Bu salınım sinyali, karanlık madde parçacıklarının varlığının imzası görevi görüyor.

Yöntemin hassasiyeti, Fabry-Perot boşluklarının (interferometre kolunun uzunluğunu artırarak daha fazla hassasiyete olanak tanıyan) dahil edilmesi ve tekrarlanan bağımsız ölçümlerin alınmasıyla artırılabilir.

Lazer interferometri ve GALILEO’nun uygulanması

Araştırma, lazer interferometri ile yapılan hassas ölçümlere dayanmaktadır.

Ebadi şöyle açıkladı: “Lazer interferometrelerin hassas ölçümler için nasıl kullanılabileceğinin en iyi örneği, yer tabanlı yerçekimi dalgası dedektörü LIGO’dur.”

“Teklifimiz, Fabry-Perot boşlukları veya kuantum gürültü sınırını bastırmak için sıkıştırılmış ışık gibi LIGO ile benzer teknolojik gelişmeleri kullanıyor. Ancak, LIGO’dan farklı olarak önerilen GALILEO girişimölçer, masa üstü ölçekli bir cihazdır.”

Çalışma teorik olsa da araştırmacıların deneysel programı adım adım uygulamaya koyma planları zaten var.

Daha da önemlisi, açık karanlık maddeyi aramak için bilimsel deneyler yürütmek amacıyla kullanmayı planladıkları optimize edilmiş bir deney düzeni için gerekli teknik parametreleri belirlemek istiyorlar.

Ek olarak Ebadi, deneysel sürecin önemli yönleri olan gürültü bütçesini ve kurulum sistematiğini karakterize etmenin yanı sıra, boşluk içindeki elektro-optik malzemenin yanı sıra yüksek hassasiyetli Fabry-Perot boşluklarını çalıştırmanın önemini vurguluyor.

Ebadi, “GALILEO, karanlık madde adaylarının teorik olarak uygulanabilir geniş alanını keşfetmeye yönelik daha büyük misyonun önemli bir bileşeni olma potansiyeline sahip” dedi.

© 2024 Science X Ağı