Свати Сингх из Университета Делавэра входит в небольшую группу исследователей в сообществе темной материи, которые начали задаваться вопросом, ищут ли они правильный тип темной материи.
"Что, если темная материя намного легче, чем то, что ищут традиционные эксперименты по физике элементарных частиц??"сказал Сингх, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в UD.
Теперь Сингх, Джек Мэнли, докторант UD, и сотрудники из Университета Аризоны и Хаверфордского колледжа предложили новый способ поиска частиц, которые могут составлять темную материю, путем перепрофилирования существующей настольной сенсорной технологии.
Команда недавно сообщила о своем подходе в статье, опубликованной в Physical Review Letters.
Соавторами статьи являются Далзил Уилсон, доцент оптических наук из Аризоны, Митул Дей Чоудхури, докторант из Аризоны, и Дэниел Грин, доцент кафедры физики в Хаверфордском колледже.
Необычный вопрос
Сингх объяснил, что если сложить все объекты, излучающие свет, такие как звезды, планеты и межзвездный газ, на него будет приходиться только около 15% материи во Вселенной.
Остальные 85% известны как темная материя. Он не излучает свет, но исследователи знают о его существовании благодаря гравитационным эффектам. Они также знают, что это не обычная материя, такая как газ, пыль, звезды, планеты и мы.
«Он может состоять из черных дыр или из чего-то в триллионы раз меньше электрона, известного как сверхлегкая темная материя», – сказала Сингх, квантовый теоретик, известный своими новаторскими усилиями по продвижению вперед механического обнаружения темной материи.
Одна из возможностей состоит в том, что темная материя состоит из темных фотонов, типа темной материи, которая будет оказывать слабую осциллирующую силу на нормальную материю, заставляя частицу двигаться вперед и назад. Однако, поскольку темная материя повсюду, она оказывает эту силу на все, что затрудняет измерение этого движения.
Сингх и ее сотрудники заявили, что они думают, что могут преодолеть это препятствие, используя оптомеханические акселерометры в качестве датчиков для обнаружения и усиления этого колебания.
«Если сила зависит от материала, то при использовании двух объектов, состоящих из разных материалов, величина, которую они прикладывают, будет разной, а это означает, что вы сможете измерить эту разницу в ускорении между двумя материалами», – сказал Мэнли, руководитель газеты. автор.
Уилсон, квантовый экспериментатор и один из сотрудников UD, сравнил оптомеханический акселерометр с миниатюрным камертоном. «Это вибрирующее устройство, которое из-за своего небольшого размера очень чувствительно к возмущениям окружающей среды», – сказал он.
Теперь исследователи предложили эксперимент с использованием мембраны из нитрида кремния и фиксированного бериллиевого зеркала для отражения света между двумя поверхностями. Если расстояние между двумя материалами изменится, исследователи узнают по отраженному свету, что присутствуют темные фотоны, потому что нитрид кремния и бериллий имеют разные свойства материала.
По словам Мэнли, сотрудничество было ключевой частью разработки плана эксперимента.
Он и Сингх (теоретики) работали с Уилсоном и Дей Чоудхури (экспериментаторами) над теоретическими расчетами, которые вошли в подробный план создания предлагаемого ими настольного датчика акселерометра. Тем временем Грин, космолог, помог пролить свет на аспекты физики элементарных частиц сверхлегкой темной материи, например, почему она будет сверхлегкой, почему она может по-разному взаимодействовать с материалами и как она может быть получена.
Как теоретик, Мэнли сказал, что возможность узнать больше о том, как работают устройства и как экспериментаторы строят вещи, чтобы доказать теории, которые разрабатывают он и Сингх, углубила его знания и одновременно расширила его доступ к возможным карьерным путям.
Растущий объем работ
Важно отметить, что эта последняя работа основана на ранее опубликованных исследованиях сотрудничающих групп, опубликованных прошлым летом в Physical Review Letters. Документ, в который вошел вклад бывшего аспиранта Университета штата Калифорния Рассела Стампа, показал, что несколько существующих и ближайших к будущему использования лабораторных устройств достаточно чувствительны, чтобы обнаруживать или исключать возможные частицы, которые могут быть сверхлегкой темной материей.
Исследование показало, что определенные типы сверхлегкой темной материи могут соединяться или соединяться с нормальной материей таким образом, что это вызывает периодическое изменение размера атомов. Хотя небольшие колебания размера одного атома трудно заметить, эффект усиливается в объекте, состоящем из множества атомов, и дальнейшее усиление может быть достигнуто, если этот объект является акустическим резонатором. Коллаборация оценила характеристики нескольких резонаторов, сделанных из различных материалов, от сверхтекучего гелия до монокристаллического сапфира, и обнаружила, что эти датчики можно использовать для обнаружения сигнала деформации, вызванной темной материей.
Оба проекта были частично поддержаны за счет финансирования Сингха из Национального научного фонда для изучения возникающих идей об использовании современных квантовых устройств для обнаружения астрофизических явлений с помощью настольных технологий, которые меньше и дешевле, чем другие методы.
Вместе, по словам Сингха, эти статьи расширяют объем работ по тому, что известно о возможных способах обнаружения темной материи, и предполагают возможность нового поколения настольных экспериментов.
Сингх и Мэнли также работают с другими экспериментальными группами над разработкой дополнительных настольных датчиков для поиска такой темной материи или других слабых астрофизических сигналов. Они также активно развивают более широкие дискуссии по этой теме в сообществах темной материи и квантовых датчиков.
Например, Сингх недавно обсудил достижения в области преобразовательной аппаратуры в детекторах физики элементарных частиц на виртуальном семинаре, организованном Координационной группой по передовым детекторам Министерства энергетики США (CPAD).
Она также представила эти результаты на специальном семинаре во время апрельской встречи Американского физического общества.
«Это захватывающее время, и я многому научился из вопросов, которые задают ученые из разных стран на таких семинарах», – сказал Сингх. "Но стоит отметить, что мои самые оригинальные исследовательские идеи по-прежнему исходят из вопросов, заданных любопытными студентами."