1970’lerin sonlarında teorik fizikçiler tarafından ilk olarak önerilen varsayımsal su altı parçacıkları, en umut verici karanlık madde adayları arasında olmaya devam etmektedir. Fizik teorileri, bu parçacıklar ve düzenli madde arasındaki etkileşimlerin son derece zayıf olduğunu göstermektedir, bu da geleneksel deney kurulumlarını kullanarak tespit edilmelerini çok zorlaştırır.
Haystac (Axion Cold Dark Matter’a duyarlı Yale’de Haloscope) deney, güçlü bir manyetik alanda üretebilecekleri küçük elektromanyetik sinyalleri arayarak eksenleri tespit etmeyi amaçlayan Yale, Berkeley ve Johns Hopkins arasında bir araştırma işbirliğidir.
Son zamanlarda yayınlanan bir makalede Fiziksel İnceleme MektuplarıHaystac işbirliği, kuantum gürültüsünü azaltmak için tasarlanmış, kuantum sıkma olarak bilinen bir teknik kullanarak (yani, haloskoplarının ölçümlerini olumsuz etkileyen rastgele dalgalanmalar) kullanarak bugüne kadar gerçekleştirilen en geniş eksen arayışının sonuçlarını bildirmiştir.
Makalenin ortak yazarı Reina Maruyama, “Aks, güçlü kuvvette yük konjugasyonu ve parite (CP) asimetrisi eksikliğini açıklamak için tanıtıldı ve aksların nasıl aranacağı için orijinal fikir Sikivie’den geldi.” Dedi. “Steve Lamoreaux, cıva atomlarında ve nötronlarda kalıcı elektrikli dipol momentini arama çalışmalarından başlayarak uzun zamandır güçlü CP sorunu üzerinde çalıştı.”
Başlangıçta, teorisyenler Frank Wilczek ve Steven Weinberg tarafından güçlü nükleer kuvvetlerde zaman-geri dönüş simetrisini açıklamak için akslar tanıtıldı. Bununla birlikte, nihayetinde, sadece zayıf bir şekilde elektromanyetik radyasyon ile etkileşime giren ve yine de evrenin kütlesinin çoğunu açıklayan kara madde için olası bir aday haline geldiler.
“Teorik olarak, zamanın tersine dönme asimetrisi seviyesini belirleyen saf sayı parametresi (teta, Yunan harf) vardır ve prensip olarak hemen hemen her şeyin altında olabilir, ancak değeri 0.0000000001’in (10’un altındadır.-10) esas olarak nötron elektrikli dipol momentiyle sınırlı, “dedi makalenin ortak yazarı Steve Lamoreaux.
“Bununla birlikte, zaman-ters asimetri, ‘garip’ mezonların bozulmasında gözlenir, bu yüzden nükleer kuvvette neden bu kadar küçük olması, aksiyon tarafından (kolektif anlamda) çözülen bir gizemdir. Pierre Sikivie, aksanın karanlık bir madde adayı olarak işlev görebileceğini takdir eden ilk olarak, çünkü sadece karanlık madde adayı olarak işlenebileceğini, çünkü maddelerle çok zayıf bir şekilde etkileşime girebilir, çünkü maddelerle etkileşime girer.
Işık akslarının evrenin madde yoğunluğunu doyurabileceğinin farkına varması, üç ayrı araştırma grubu tarafından neredeyse aynı anda bildirilmiştir. Birincisi Sikivie ve Lou Abbott, ikincisi Michael Dine ve Willy Fischler, üçüncüsü John Preskill, Mark Wise ve Frank Wilczek tarafından yönetildi.
Ancak, eksenlerin karanlık bir madde adayı olabileceği fikrini tanıttıktan kısa bir süre sonra, Sikivie de çok güçlü bir manyetik alana yerleştirilmiş bir mikrodalga boşluğuna dayanan bir enstrüman olan bir “halaktik halo karanlık madde akside dedektörü kavramını da özetledi. Bu manyetik alan, eksenlerin radyo veya mikrodalga frekanslarında fotonlara dönüştürülmesini sağlamalıdır, bu da ilişkili sinyallerin çok küçük olmasına rağmen doğrudan algılamalarını sağlayacaktır.
“On beş yıl önce, Sikivie tipi mikrodalga boşluk deneylerinin iyi ilerleme kaydettiği, gigahertz aralığında hassasiyette iyileşme, enflasyon sonrası aksine doğru daha yüksek kütle menzilini açmak için bir öncü çabası olduğunu söyledi.” Dedi. “Haystac deneyi, daha yüksek frekanslarda yeni amplifikatör ve rezonatör kavramları için bir yol bulucu ve yenilik test edilmiş bir inovasyon olarak tasarlandı. Bu, küçük, çevik bir deney olarak kalmamızı gerektirecektir.”
Frekanslar arttıkça, haloskoplarla eksenleri tespit etmeye çalışırken karşılaşılan zorluklar da arttı. Örneğin, daha yüksek frekanslar ayrıca dönüşüm boşluğunun hacminde bir azalma ve birim hacim başına belirli bir halo kütlesi için daha düşük bir eksen yoğunluğu gerektirir.
Deneylerinin II. Fazında, araştırmacılar kuantum ölçüm teknolojileri kullandılar ve hassasiyetlerini arttırmak için kuantum sıkma kullandılar. Şimdiye kadar, Haystac dünya çapında iki deneyden biridir ve ölçüm araçlarının hassasiyetini artırmak için kuantum sıkmaya dayanan ileri Ligo daha büyük araştırma çabasıyla birlikte.
Haystac işbirliği, daha önceki aks aramaları sırasında kullanılmayan dış kriyojensiz seyreltme buzdolaplarını kurulumlarına entegre etti. Hem kuantum sıkışması hem de seyreltme buzdolapları, haloskoplarını oluşturma ve işletme ile ilişkili finansal maliyetleri düşürmelerine izin verdi.
Akslara bağlı olabilecek herhangi bir sinyal algılamamış olsalar da, ekip daha geniş bir parametre alanı arayabildi. Gelecekte, Haystac ekipmanlarını geliştirmeye devam etmeyi ve Axion Dark Matter’ı aramaya devam etmeyi planlarken, Yale’deki haloskoplar ve ekipmanlar kullanarak diğer karanlık madde aramalarında da çalışıyorlar.
Makalenin ortak yazarı Danielle Speller, “Daha yüksek kitlelere sahip eksenleri aramak için deneyi zorlamakla ilgili birkaç fikrimiz var ve algılama tekniklerini geliştirmek için birkaç kuantum teknolojisinden ilham alan fikirler üzerinde çalışıyoruz.” Dedi.
“Alfa deneyi, Rydberg atomları ile tek foton tespiti ve bu makalede açıklanan algılama artışı gibi doğal bir uzatmadır. Ateşkes güçlü bir kuantum geliştirme şemasıdır. Üzerinde çalıştığımız metamalzeme tabanlı rezonatörler. “
Alfa deneyi, özellikle enflasyon sonrası akyon kütle rejiminde, önemli ölçüde daha büyük kitlelere sahip eksenleri tespit etmeyi amaçlayan daha büyük bir araştırma işbirliğidir. Bu deney, şu anda Yale’de inşa edilen bir plazma haloskopu olarak bilinen farklı bir aletlere güvenecektir.
