Opětovné použití optomechanických akcelerometrů k nalezení temné hmoty

Jack Manley (vlevo) je studentem UD PhD a Swati Singh je odborným asistentem na katedře elektrotechniky a počítačového inženýrství na Vysoké škole inženýrské. Uznání: Photo by Evan Krape, composite photo by Jeffrey C. Chase

Vědci si jsou jisti, že temná hmota existuje. Po více než 50 letech hledání však stále nemají žádné přímé důkazy o tajemné látce.

Swati Singh z University of Delaware je jednou z malé skupiny vědců v komunitě temné hmoty, kteří přemýšleli, zda hledají správný druh temné hmoty.

„Co když je temná hmota mnohem jasnější než tradiční experimenty s fyzikou částic?“ řekl Singh, odborný asistent elektrotechniky a výpočetní techniky na UD.

Nyní Singh, Jack Manley, postgraduální student UD, a zaměstnanci University of Arizona a Haverford College navrhli nový způsob hledání částic, které by mohly vytvořit temnou hmotu opětovným využitím stávající technologie stolních senzorů. Tým nedávno informoval o svém přístupu v článku publikovaném v Dopisy o fyzickém vyšetření.

Spoluautoři článku jsou Dalziel Wilson, odborný asistent optických věd z Arizony, Mitul Dey Chowdhury, postgraduální student z Arizony, a Daniel Grin, odborný asistent fyziky na Haverford College.

Není to běžná věc

Singh vysvětlil, že když sečtete všechny věci, které emitují světlo, jako jsou hvězdy, planety a mezihvězdný plyn, tvoří to jen asi 15% hmoty ve vesmíru. Dalších 85% je označováno jako temná hmota. Nevyzařuje světlo, ale vědci vědí, že existuje díky svým gravitačním účinkům. Vědí také, že to není obyčejná hmota, jako je plyn, prach, hvězdy, planety a my.

„Mohlo by to být tvořeno černými dírami nebo to mohlo být bilionykrát menší než elektron, známý jako ultralehká temná hmota,“ řekl Singh, kvantový teoretik známý jako průkopník mechanické detekce temné hmoty.

Jednou z možností je, že temná hmota je tvořena tmavými fotony, typem temné hmoty, který vyvíjí slabou oscilační sílu na normální hmotu a způsobuje pohyb částice tam a zpět. Protože je však temná hmota všude, aplikuje tuto sílu na cokoli, což ztěžuje měření tohoto pohybu.

Singh a její spolupracovníci věří, že tuto překážku mohou překonat pomocí opto-mechanických akcelerometrů jako senzorů pro snímání a zesílení této vibrace.

„Je-li síla závislá na materiálu, pak použitím dvou předmětů, které jsou vyrobeny z různých materiálů, bude množství, o které jsou vynuceny, odlišné, což znamená, že můžete měřit tento rozdíl v zrychlení mezi těmito dvěma materiály,“ řekl Manley, vedoucí autora příspěvku.

Wilson, kvantový experimentátor a člen týmu UD, porovnal optomechanický akcelerometr s miniaturní ladičkou. „Je to vibrační zařízení, které je kvůli své malé velikosti velmi citlivé na rušení prostředí,“ řekl.

Nyní vědci navrhli experiment, který využívá membránu vyrobenou z nitridu křemíku a pevné beryliové zrcadlo k odrážení světla mezi dvěma povrchy. Pokud se změní vzdálenost mezi těmito dvěma materiály, vědci by z odraženého světla poznali, že jsou přítomny tmavé fotony, protože nitrid křemíku a berylium mají různé vlastnosti materiálu.

Spolupráce byla podle Manleyho nedílnou součástí vývoje designu. On a Singh (teoretici) spolupracovali s Wilsonem a Dey Chowdhury (experimentátory) na teoretických výpočtech, které šly do podrobného návrhu konstrukce jejich navrhovaného stolního akcelerometru. Mezitím kosmolog Grin pomohl osvětlit částicově-fyzikální aspekty ultralehké temné hmoty, např. B. proč by měl být ultralehký, proč by se mohl párovat odlišně od materiálů a jak by se to dalo vyrobit.

Jako teoretik Manley uvedl, že příležitost získat další informace o tom, jak zařízení fungují a jak experimentátoři vytvářejí věci, aby prokázali teorie, které on a Singh vyvinuli, zvýšila jeho odbornost a rozšířila jeho viditelnost do možných kariérních cest.

Rostoucí počet pracovních míst

Důležité je, že tato nejnovější práce vychází z dříve publikovaného výzkumu spolupracujících týmů, který byl publikován v Physical Review Letters loni v létě. Příspěvek, který zahrnoval příspěvky bývalého doktoranda UD Russella Stumpa, ukázal, že několik stávajících a krátkodobých laboratorních zařízení je dostatečně citlivých, aby detekovali nebo vyloučili možné částice, které by mohly být ultralehkou temnou hmotou.

Výzkum uváděl, že určité typy ultralehké temné hmoty by se kombinovaly nebo spojovaly s normální hmotou způsobem, který by způsoboval periodickou změnu velikosti atomů. I když malé rozdíly ve velikosti jednotlivce atom může být obtížné si všimnout, účinek je zesílen v objektu složeném z mnoha atomů a dalšího zesílení lze dosáhnout, pokud je tímto objektem akustický rezonátor. Spolupráce vyhodnotila výkon několika rezonátorů vyrobených z různých materiálů, od superfluidního hélia po monokrystalický safír, a zjistila, že tyto senzory lze použít k detekci signálu kmene vyvolaného temnou hmotou.

Oba projekty byly částečně podpořeny Singhovým financováním z National Science Foundation s cílem prozkoumat nové nápady týkající se využití špičkových kvantových zařízení k detekci astrofyzikálních jevů pomocí stolních technologií, které jsou menší a levnější než jiné metody.

Společně, říká Singh, tato práce rozšiřuje práci na známých možnostech detekce temné hmoty a navrhuje možnost nové generace stolních experimentů.

Singh a Manley také spolupracují s dalšími výzkumnými skupinami na vývoji dalších stolních senzorů pro hledání takové temné hmoty nebo jiných slabých astrofyzikálních signálů. Aktivně se také zapojují do širších diskusí na toto téma v komunitách temné hmoty a kvantových senzorů.

Například Singh nedávno diskutoval o pokrokech v transformaci nástrojů na detektory fyziky částic ve virtuálním workshopu organizovaném CPAD (Department of Energy’s Advanced Detectors Coordinating Panel). Tyto výsledky také představila na zvláštním workshopu během dubnového zasedání Americké fyzikální společnosti.

„Je to vzrušující doba a hodně se učím z otázek, které si vědci z různých prostředí kladou na takovýchto workshopech,“ řekl Singh. „Ale stojí za zmínku, že moje nejoriginálnější myšlenky výzkumu stále pocházejí z otázek zvědavých studentů.“

Odkaz: „Hledání hmoty temných vektorů pomocí Optomechanického akcelerometru“ Jack Manley, Mitul Dey Chowdhury, Daniel Grin, Swati Singh a Dalziel J. Wilson, 10. února 2021, Dopisy o fyzickém vyšetření.
DOI: 10,1103 / PhysRevLett.126.061301

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Drsná kůra, která se v noci ozývá, vede k objevení nových druhů

V lesích západní a střední Afriky se v noci ozývají hlasitá volání hybridů stromů - malých, býložravých savců, ale jejich zvuk se liší podle...

Nástroj Nový nástroj určený k podpoře vývoje a vývoje automobilových vozidel

Schematický vnitřní provoz elektrod v palivovém článku և kapacita základních parametrů. Půjčka:Heinz a kol., 2021: Široké používání tradičních vozidel na vodíkový pohon nad tradičními...

Identifikace velmi počátečních kroků, které vedou k rozvoji rakoviny

Konfokální mikrofotografie tenkého střeva myši pomocí technologie Red2Onco. S Red2Onco můžete označit onkogenní mutantní klony (červené klony) a běžné nebo divoké klony (žluté...

Neandertálci a raná moderní lidská kultura koexistovali vedle starších tradic již více než 100 000 let

Výzkum Fakulty antropologie a ochrany na University of Kent zjistil, že jedna z prvních kultur kamenných nástrojů známá jako Acheulean trvala pravděpodobně o desítky...

Snadná věda: co jsou sterilní neutrina?

Sterilní neutrina jsou speciální typ neutrin, který byl navržen k vysvětlení některých neočekávaných experimentálních výsledků, ale nakonec nebyl objeven. Vědci je hledají v...

Newsletter

Subscribe to stay updated.