Naukowcy pracujący nad eksperymentem Dark SRF w Fermi National Accelerator Laboratory w Departamencie Energii Stanów Zjednoczonych uzyskali rekordową czułość w układzie eksperymentalnym używanym do wyszukiwania teoretycznych cząstek zwanych ciemnymi fotonami.
Badacze uwięzili zwykłe, bezmasowe fotony w urządzeniach zwanych nadprzewodzącymi wnękami o częstotliwości radiowej (superconducting radio frequency – SRF), aby odkryć transformację tych fotonów do ich hipotetycznych ciemnych odpowiedników. Dzięki innowacyjnemu wykorzystaniu wnęk SRF naukowcy mogą teraz badać różne potencjalne zakresy mas tych nieuchwytnych cząstek, przesuwając granice naszego rozumienia ciemnej materii.
Światło, które pozwala nam zobaczyć zwykłą materię w naszym świecie, składa się z cząstek zwanych fotonami. Jednak zwykła materia stanowi tylko niewielką część Wszechświata; aż 85% jego materii stanowi nieznana substancją zwaną ciemną materią, i jasne jest, że Model Standardowy, opisujący znane cząstki i siły, jest niekompletny.
W najprostszym rozwiązaniu proponowanym przez teoretyków jeden nieodkryty typ cząstki ciemnej materii mógłby odpowiadać za całą ciemną materię we Wszechświecie. Jednak wielu naukowców podejrzewa, że w ciemnej części Wszechświata istnieje wiele różnych cząstek i sił, a niektóre z nich mogą wchodzić w ukryte interakcje ze zwykłymi cząstkami materii i siłami.
Tak jak elektron posiada pokrewne mu cząstki, wśród nich mion i taon, które różnią się od niego pod pewnymi względami, tak ciemny foton różniłby się od zwykłego fotonu i miałby masę. Teoretycznie po wytworzeniu fotony i ciemne fotony mogłyby przekształcać się w siebie w tempie określonym przez właściwości ciemnego fotonu.
Aby szukać ciemnych fotonów, naukowcy przeprowadzają rodzaj eksperymentu zwanego „eksperymentem światła przechodzącego przez ścianę”. To podejście wykorzystuje dwie puste metalowe wnęki do wykrywania transformacji zwykłego fotonu w foton ciemnej materii. Naukowcy przechowują zwykłe fotony w jednej wnęce, podczas gdy drugą wnękę pozostawiają pustą. Następnie szukają pojawienia się fotonów w tej drugiej wnęce.
Wnęki SRF używane przez dr Alexandra Romanenkę i jego współpracowników to wydrążone kawałki niobu. Po schłodzeniu do bardzo niskiej temperatury (w kąpieli ciekłego helu do temperatury około 2 K, bliskiej zera absolutnego) wnęki te bardzo dobrze przechowują fotony.
Na zdjęciu: Przy instrumencie eksperymentu Dark SRF stoją, od lewej do prawej, dyrektor centrum SQMS Anna Grassellino, Roni Harnik i Alexander Romanenko. Źródło: Reidar Hahn, Fermilab
Naukowcy mogą teraz wykorzystywać wnęki SRF o różnych częstotliwościach rezonansowych, aby badać różne zakresy mas, które potencjalnie mogą mieć ciemne fotony. Ten eksperyment otwiera nową drogę poszukiwania ciemnej materii, badania fal grawitacyjnych i przeprowadzania podstawowych testów mechaniki kwantowej.
Opisany eksperyment jest pierwszą demonstracją wykorzystania wnęk SRF do przeprowadzenia eksperymentu z przeświecaniem światła przez ścianę.
Więcej informacji: publikacja „Search for Dark Photons with Superconducting Radio Frequency Cavities” A. Romanenko i in., Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.261801
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Na ilustracji: Wizualizacja Ziemi otoczonej ciemną materią. Źródło: Wikimedia Commons
