تشخیص اکسیون های ماده تاریک با حفره مایکروویو

در سال 1977، آکسیون، نوعی ذره بنیادی، به عنوان راه حلی برای یک مسئله نظری فیزیک ذرات پیشنهاد شد: مسئله برابری بار قوی (CP). بعداً مشخص شد که این ذره ممکن است در واقع جزء ماده تاریک باشد. در حال حاضر آزمایش‌های زیادی در حال انجام است که هدفشان شناسایی آکسیون‌ها است. در این پست وبلاگ، ما بر روی آزمایش ماده تاریک Axion (ADMX) تمرکز خواهیم کرد، که از یک حفره مایکروویو در تلاش برای انجام این هدف استفاده می کند.

تشخیص ذره گریزان

به نظر می رسد تشخیص آکسیون ها بسیار چالش برانگیز است. اعتقاد بر این است که این ذره بسیار ضعیف با ماده معمولی برهمکنش می‌کند و جرم بسیار کمی دارد – شبیه به یک ذره شبح. با این حال، در حال حاضر برخی از آزمایش های دیدنی برای یافتن این ذره گریزان در حال انجام است. یکی از آزمایش‌ها تلاش می‌کند تا با قرار دادن یک پرتو لیزر حاوی فوتون در معرض میدان مغناطیسی 9 تسلا، ” نور را از طریق دیوارها بتاباند “. آزمایش دیگر تلاش برای یافتن آکسیون های تولید شده در خورشید با استفاده از نوع خاصی از تلسکوپ است . علاوه بر این، آزمایش دیگری با هدف شناسایی یک منبع انرژی کوچک فرضی در یک حفره مایکروویو است.

چالش‌ها در طراحی یک آزمایش تشخیص اکسیون

برخی از چالش‌های اصلی در طراحی آزمایش برای تشخیص آکسیون‌ها این است که هیچ‌کس جرم ذره یا میزان ضعیف جفت شدن آن با ذرات معمولی را نمی‌داند. در واقع، گستره توده های پیش بینی شده مرتبه های قدر زیادی را در بر می گیرد (از 1 μeV تا 1 eV). توده های خارج از این محدوده به دلیل ملاحظات نظری و اخترفیزیکی احتمال کمتری در نظر گرفته می شوند. علاوه بر این، ثابت جفت نامیده می شود که تعیین می کند که آکسیون چقدر با ماده معمولی برهمکنش می کند، نیز ناشناخته است.

چندین آزمایش محوری بر اساس این پیش‌بینی است که آکسیون‌ها و فوتون‌ها وقتی تحت یک میدان مغناطیسی قوی قرار می‌گیرند به یکدیگر تبدیل می‌شوند. سپس طیف گسترده ای از جرم های پیش بینی شده به تشخیص تابش الکترومغناطیسی یا فوتون ها در یک گستره فرکانس تبدیل می شود. هر تیم امیدوار است که محور را در بازه معینی از جرم ها و ثابت های جفت شونده پیدا کند و بر این اساس در حال ساخت تجهیزات آزمایشی هستند. بسته به خواص محوری پیش بینی شده، تکنیک های کاملا متفاوتی استفاده می شود.

آزمایش ماده تاریک اکسیون (ADMX)

آزمایش ماده تاریک اکسیون (ADMX) در مرکز فیزیک تجربی و اخترفیزیک در دانشگاه واشنگتن برگزار می‌شود. این آزمایش از یک حفره مایکروویو استوانه ای تشدید کننده در یک آهنربای ابررسانا بزرگ استفاده می کند. اگر معلوم شود که اکسیون ها دارای جرم کم هستند، ممکن است به عنوان امواج مایکروویو قابل تشخیص توسط حفره مایکروویو ظاهر شوند. این آزمایش می‌تواند آکسیون‌های کم‌جرم را در محدوده 1 μeV تا 10 μeV شناسایی کند. این جرم در مقایسه با الکترون که 0.5 مگا ولت یا حدود یک میلیون میلیون بار بیشتر وزن دارد، بسیار کوچک است. نوک قدرت متناظر که ADMX برای تشخیص آن نیاز دارد به همان نسبت ضعیف است که الزامات تقریباً غیرممکنی را برای تجهیزات آزمایشی تعیین می کند.

عدسی گرانشی یک خوشه کهکشانی که نشان دهنده وجود ماده تاریک است.

گیرنده نوآورانه مایکروویو ADMX نسبت سیگنال به نویز بسیار پایینی دارد و از یک تقویت کننده تداخل کوانتومی ابررسانا (SQUID) استفاده می کند که توسط هلیوم مایع خنک می شود. گیرنده قادر است نوک های برق کوچکتر از یک درصد یوکتووات (یوکتووات = 10-24 وات) را تشخیص ^دهد . این یک سطح غیر قابل باور از حساسیت است که نزدیک به حد نظری تعیین شده توسط نوسانات مکانیکی کوانتومی است.

به نوعی این آزمایش نمی تواند شکست بخورد. البته پیدا کردن اکسیون در ADMX عالی خواهد بود. با این حال، اثبات اینکه آکسیون در محدوده جستجوی خود نیست، به خودی خود به عنوان یک نتیجه تحقیقاتی بسیار مهم به حساب می آید که پیامدهایی بر فیزیک ذرات و اخترفیزیک خواهد داشت. همچنین این احتمال وجود دارد که ADMX بتواند ذرات عجیب‌تری مانند ذرات آفتاب‌پرست یا فوتون‌های تاریک را شناسایی کند .

نصب آهنربا ADMX تسلا. (“مگنت 8.5 تسلا ADMX در حال نصب در دانشگاه واشنگتن، سیاتل” توسط Lamstlamer – اثر شخصی. دارای مجوز Creative Commons Attribution Share-Alike 3.0 ، از طریق Wikimedia Commons ).

حفره های مایکروویو

حفره های مایکروویو در بسیاری از انواع کاربردهای مایکروویو مانند رادارها، ایستگاه های تلفن همراه و اجاق های مایکروویو استفاده می شوند. آنها همچنین به دلیل توانایی عالی در ذخیره انرژی الکترومغناطیسی به عنوان تشدید کننده استفاده می شوند.

در دنیای مدارهای الکتریکی، “عموزاده” حفره مایکروویو، مدار RLC تشدید کننده است که از عناصر مدار مقاومتی، القایی و خازنی تشکیل شده است. یک مدار تشدید می‌تواند با تنظیم خازن‌ها و سلف‌های آن (اصل تیونر رادیویی ) در فرکانس خاصی طنین‌انداز کند. به روشی مشابه، یک حفره مایکروویو را می توان با فرکانس آکسیون (یا بهتر بگوییم فوتونی که آکسیون به آن تبدیل می شود) تنظیم کرد.

تنظیم یک حفره مایکروویو با استفاده از میله های تنظیم – میله های فلزی یا دی الکتریک که به داخل حفره بیرون زده اند، امکان پذیر است . به سادگی با تغییر موقعیت میله های تنظیم، فرکانس تشدید یا “ایستگاه رادیویی” حفره را تغییر می دهید.

پیش‌بینی اینکه دقیقاً چه تغییری در فرکانس تشدید که یک تغییر خاص در موقعیت میله تنظیم ایجاد می‌کند، با استفاده از شبیه‌سازی آسان‌تر می‌شود. ما این سناریو را با استفاده از ماژول RF شبیه سازی کردیم .

هندسه CAD مورد استفاده در شبیه سازی COMSOL Multiphysics. حفره مایکروویو استوانه ای و دو میله تنظیم فلزی نشان داده شده است.

شبیه سازی با ماژول RF

ما یک مدل سه بعدی و دو بعدی از حفره را برای مقایسه نتایج ایجاد کردیم. حالت رزونانسی که انتظار می رود قوی ترین حالت با فوتون تولید شده توسط اکسیون جفت شود، حالت به اصطلاح TM010 است . برای یافتن این حالت خاص، به کارگیری یک شبیه سازی دو بعدی به اندازه یک شبیه سازی سه بعدی مناسب است.

شکل زیر توزیع میدان الکتریکی را در مدل سه بعدی برای حالت TM010 نشان می دهد.

حالت TM010 که مؤلفه میدان الکتریکی را با محور سیلندر در یک راستا نشان می دهد. قدر میدان نرمال شده روی سه برش عمود بر هم رسم می شود.

میدان مغناطیسی اعمال شده خارجی مغناطیس ابررسانا دارای یک جزء شار مغناطیسی قوی در امتداد محور سیلندر است. اگر فرض کنیم که محور سیلندر محور z است ، می‌توان شار مغناطیسی را تقریباً B = (0,0,Bz) نشان داد. با استفاده از این تعریف از محور z ، حالت تشدید کننده TM010 با داشتن یک جزء میدان الکتریکی قوی (Ez) مشخص می شود. بنابراین، با تقریب خوب، E = (0,0,Ez) داریم. توان میدان متناسب با حاصلضرب نقطه ای E و B (Ez*Bz) است. طراحی آزمایش به منظور به حداکثر رساندن این جفت و دریافت قوی ترین سیگنال ممکن در صورت ایجاد یک فوتون تولید شده توسط اکسیون در حفره است.

شکل زیر شبیه سازی دو بعدی مربوطه را نشان می دهد.

میدان الکتریکی در شبیه سازی دوبعدی حفره.

شبیه سازی های دوبعدی و سه بعدی نتایج یکسانی به دست آوردند. برای درک حالت TM010، کافی است از یک شبیه سازی دو بعدی استفاده کنید که از نظر محاسباتی بسیار سریعتر است.

شکل زیر شبیه سازی را نشان می دهد که در آن فرکانس رزونانس در برابر موقعیت زاویه ای یکی از میله های تنظیم رسم می شود.

فرکانس تشدید در مقابل موقعیت میله برای شبیه سازی حفره استوانه ای.

این شبیه‌سازی نشان می‌دهد که این طرح حفره خاص می‌تواند برای جستجو در فاصله بین ~500-700 مگاهرتز استفاده شود.

این نتایج مشابه نتایج منتشر شده توسط تیم AMDX است . یک تفاوت این است که حفره و میله های تنظیم مورد استفاده در شبیه سازی دارای خواص و ابعاد دقیق مشابه در ADMX نیستند.

به طور دقیق، طبقه‌بندی حالت تشدید که TM010 است، فقط برای حفره‌ای قابل استفاده است که شامل میله‌های تنظیم نیست. در واقع، میله های تیونینگ حالت های دیگری مشابه TM010 را معرفی می کنند. با این حال، برای به دست آوردن یک جفت بین میدان مغناطیسی و الکتریکی، نیازی به اتکا به حالت اساسی نیست. حالت های دیگر نیز ممکن است یک جفت معقول ایجاد کنند.

شکل زیر اسکنی را نشان می دهد که شامل حالت مجاور مشابه TM010 است. حساسیت آن در محدوده بین ~740-800 مگاهرتز است. این شکل همچنین شامل مقایسه ای با شبیه سازی سه بعدی است.

فرکانس تشدید در مقابل موقعیت میله برای دو حالت مجاور. مقایسه ای از شبیه سازی 3D گنجانده شده است.

لازم به ذکر است که حتی می توان از حالت های مرتبه بالاتر نیز استفاده کرد. با استفاده از اینها، می توان بدون نیاز به تغییر ابعاد کلی حفره، محدوده فرکانس وسیع تری را اسکن کرد.

به روز رسانی اخیر ADMX

بر اساس ارائه اخیر، ADMX اخیراً ارتقاءهای عمده ای داشته است . تیم آزمایشی دانشگاه آماده است تا آنچه را که از آن به عنوان “جستجوی قطعی برای اکسیون های ماده تاریک” یاد می کند، آغاز کند. در ارائه، نماینده ADMX Grey Rybka با اطمینان بیان می کند که “اگر آکسیون وجود دارد، ما آن را پیدا خواهیم کرد”.

منابع مرتبط در Axions

• این مقاله را بخوانید: « آیا ماده تاریک در آزمایش‌های موجود می‌تواند در دید آشکار پنهان شود؟ “
• این ویدیو را در مورد اکسیون های ماده تاریک تماشا کنید