Op zoek naar donkere materie in een HAYSTAC - met wat kwantumdruk

De zoektocht naar donkere materie - de onzichtbare lijm die de kosmos bindt en het grootste deel van de massa van sterrenstelsels vormt - lijkt een beetje op het zoeken naar een naald in een bijna oneindige hooiberg.

Om te beginnen weten wetenschappers niet precies wat donkere materie is. Ze kunnen het bestaan ​​ervan alleen afleiden op basis van de invloed van de zwaartekracht die het heeft op zichtbare materie.

Bij de foto: Voormalig Yale-postdoc Danielle Speller, die nu assistent-professor is aan de Johns Hopkins University, documenteert het proces van detectorassemblage. Foto: Sid Cahn, Yale University

Het identificeren van donkere materie zou echter belangrijke inzichten opleveren voor het begrijpen van een fundamentele kracht van het onzichtbare universum. Potentiële kandidaten voor de identiteit van donkere materie variëren van steriele neutrino's en zwak op elkaar inwerkende massieve deeltjes (WIMP - Weakly Interacting Massive Particles) tot axions, hypothetische deeltjes waarvan wordt aangenomen dat ze een mysterieuze symmetrie in het universum compenseren.

Al meer dan een decennium gebruikt een door Yale geleid team van wetenschappers een HAYSTAC (Haloscope At Yale Sensitive to Axion CDM) om op axions te jagen. Nieuwe bevindingen, aangetoond in een onderzoek in het tijdschrift Nature, tonen aan dat het team de gevoeligheid van de detector heeft verbeterd, zodat het zoeken naar het axion sneller kan verlopen.

HAYSTAC - een samenwerking tussen Yale, de University of California-Berkeley en de University of Colorado-Boulder - is in 2010 gestart en de eerste resultaten zijn in 2017 gepubliceerd.

"In de daaropvolgende jaren zijn er opwindende ontwikkelingen geweest in kwantumverbeterde detectietechnologieën", zegt Steve Lamoreaux, een professor in de natuurkunde van Yale en hoofdonderzoeker voor HAYSTAC. "Om te profiteren van deze nieuwe instrumentatietechnieken, hebben we de detector vanaf 2018 herbouwd en een jaar later is de verbeterde detector weer online gebracht."

HAYSTAC is gevestigd in het Wright-laboratorium van Yale en gebruikt een microgolfholte die op een extreem koude temperatuur wordt gehouden en is ondergedompeld in een groot magnetisch veld om te zoeken naar koude donkere materie (CDM – Cold Dark Matter) axionen. HAYSTAC zoekt naar foton-signalen (fotonen zijn lichtdeeltjes of elektromagnetische straling) geproduceerd door axions in een magnetisch veld.

"Het experimentele zoekwerk zal veel tijd en moeite kosten” aldus Kelly Backes, de eerste auteur van het onderzoek. “De snelheid waarmee we kunnen zoeken wordt fundamenteel beperkt door de wetten van de kwantummechanica."

Om deze reden zijn de wetenschappers overgestapt op een techniek die bekend staat als "quantum squeezing", die is ontleend aan kwantumfysisch onderzoek. Wetenschappers van HAYSTAC zeiden dat dit "knijpen" de hoeveelheid kwantum "ruis" vermindert waarmee het axionsignaal moet concurreren, waardoor het zoeken wordt versneld.

"We hebben grenzen gesteld aan de axions van donkere materie en een subset van voorspelde axionmodellen uitgesloten", zegt Reina Maruyama, universitair hoofddocent natuurkunde aan Yale, co-auteur van het onderzoek en een van de leiders van het HAYSTAC-experiment.

Bij de foto: Yale-afgestudeerde student Kelly Backes en voormalig Colorado-afgestudeerde student Dan Palken verzamelen stukjes van de squeeze-state-opstelling. Foto: Sid Cahn, Yale University

“De tools die in onze quantum squeezing-opstelling worden gebruikt, zijn in eerste instantie ontwikkeld voor gebruik in quantum computing labs”, aldus Backes. “Het feit dat ze ook de axiondetectie kunnen verbeteren, benadrukt wat er mogelijk is wanneer twee natuurkundige velden, in dit geval detectie van donkere materie en kwantuminformatie, samenkomen. "

Maruyama merkte op dat HAYSTAC, samen met het zwaartekrachtgolfexperiment LIGO, de enige fundamentele fysische experimenten zijn die werken met ruisniveaus die laag genoeg zijn om "quantum squeezing" toe te passen.

Auteur: Jan Vyvey
Bron: Yale University