Studie legt neue Einschränkungen für die kinetische Vermischung von versteckter Photonendunkler Materie fest.

13. Juli 2023 Merkmale

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Von Ingrid Fadelli, Phys.org

Da dunkle Materie aus Teilchen besteht, die kein Licht absorbieren, ausstrahlen oder reflektieren, kann sie nicht direkt mit den Methoden beobachtet werden, die zur Beobachtung konventioneller Materie verwendet werden. In den letzten Jahren haben Astrophysiker weltweit daher Methoden entwickelt, die bei der Detektion dieser flüchtigen Art von Materie helfen könnten.

Die Forscher am California Institute of Technology haben kürzlich neue direkte Nachweisgrenzen für verborgene oder dunkle Photonen-Dunkle Materie festgelegt, ein hypothetischer dunkler Materiekandidat, der eine schwache Wechselwirkung mit gewöhnlichen Photonen (Licht) hat. In ihrer in Physical Review Letters veröffentlichten Arbeit stellen sie einen neuen Ansatz zur Suche nach verborgenen Photonen vor.

"Die Empfindlichkeit eines verborgenen Photon-Dunkle Materie-Experiments hängt von der Stärke des Dunkler-Materie-Signals im Vergleich zum kleinsten detektierbaren Signal ab", sagte Nikita Klimovich, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Phys.org. "Bei der Suche nach verborgenen Photonen skaliert die Amplitude des Dunkle-Materie-Signals mit der Fläche der verwendeten Metallschale, während das minimal detektierbare Signalniveau größtenteils durch das Rauschlevel der Verstärker bestimmt wird, die zum Auslesen der Antenne verwendet werden."

Die jüngste Arbeit von Klimovich und seinen Kollegen baut auf früheren Suchen nach verborgener dunkler Materie auf, wie dem SHUKET-Experiment. Das SHUKET-Experiment ist ein ehrgeiziger Forschungsversuch, der darauf abzielt, ultraleichte dunkle Materie mithilfe eines elektromagnetischen Teleskops nachzuweisen.

"Frühere Suchen, die diese Arbeit inspiriert haben, wie das SHUKET-Experiment, hatten im Allgemeinen zum Ziel, die Signalstärke zu maximieren, indem sie eine sehr große Schale verwendeten und die besten kommerziell erhältlichen rauscharmen Verstärker verwendeten, auf die sie Zugriff hatten", erklärte Klimovich.

"Karthik Ramanathan erkannte, dass wir das Potenzial hatten, den gegenteiligen Weg einzuschlagen."

"Indem ich quantenlimitierte Verstärker entwickelte und das gesamte Experiment bei Millikelvin-Temperaturen durchführte, konnten wir die minimalen Signallevel, die wir im Vergleich zu anderen Experimenten unter Verwendung von technologischem Rauschen mit geringem Rauschen, aber nicht quantenlimitiertem Rauschen, erkennen konnten, signifikant reduzieren", sagte er.

Der vorgeschlagene Ansatz des Teams zur Suche nach verborgenen Photonen hat einen entscheidenden Nachteil. Insbesondere würde der begrenzte verfügbare Platz in einem Kryostaten die Größe der verwendeten Schale erheblich einschränken, was zu einem deutlich geringeren Rohsignal führen würde als das von anderen Experimenten, einschließlich SHUKET, erkannte Signal.

Trotzdem hofften Klimovich, Ramanathan und ihre Kollegen, dass die erhöhte Empfindlichkeit der Messung, die mit ihrer Methode gesammelt wurde, diese Einschränkung ausgleichen würde, um neue Grenzen für die Erkennung von dunklen Photonen zu setzen. In ihren Experimenten haben sie im Wesentlichen das Signal untersucht, das von einer kugelförmigen metallischen Schale emittiert wird, und es mit dem sogenannten Referenzlastsignal verglichen.

"Wenn ein verborgenes Photon mit einer Masse, die dem von uns empfindlichen Frequenzbereich entspricht, existieren würde, sollten wir eine kleine überschüssige Leistung aus der Schale im Vergleich zur Referenz sehen", sagte Klimovich. "Weil wir kein solches Signal beobachtet haben, konnten wir eine neue obere Grenze für die Kopplung eines solchen verborgenen Photonenteilchens mit dem elektromagnetischen Feld basierend auf dem kleinsten Signalniveau setzen, das wir hätten erkennen können."

Mit ihrem vorgeschlagenen Ansatz konnten die Forscher neue strenge Einschränkungen für den direkten Nachweis verborgener Photonen einführen. Obwohl sie bisher diesen dunkle Materiekandidat nicht nachgewiesen haben, hoffen sie, dass ihre Methode dazu verwendet wird, weitere Suche durchzuführen und letztendlich zu seiner Entdeckung beizutragen.

"Neben den neuen Grenzen für den Nachweis haben wir einen sehr zugänglichen Ansatz für zukünftige verdeckte Photon-Experimente gezeigt", fügte Klimovich hinzu.

"Eine dunkle Materie-Suche des QUALIPHIDE-Typs wäre ein kostengünstiges und relativ einfaches Experiment für die meisten Forschungsgruppen, die Zugang zu quantenlimitierten Verstärkern haben. Wir hoffen, eine ähnliche Methode zu verwenden, um sowohl nach verborgenen Photonen bei höheren Frequenzen (wo die aktuellen Einschränkungen für die Koppelung verborgener Photonen schwächer sind) zu suchen als auch die Einrichtung zu verbessern, um die Erkennung anderer Arten von dunkler Materie wie Axionen zu ermöglichen."

Weitere Informationen: K. Ramanathan et al, Wideband Direct Detection Constraints on Hidden Photon Dark Matter with the QUALIPHIDE Experiment, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.231001

Journal information: Physical Review Letters

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