BREADコラボレーションは同軸パラボラアンテナを使用して暗黒光子を探索しています

宇宙の物質の約80％は、光を放出、反射、吸収しないため、従来の実験技術では直接検出できない、いわゆる「暗黒物質」であると予測されている。

暗黒物質の存在は現在十分に文書化されていますが、世界中の天体物理学者は依然として暗黒物質を検出し、その組成を確認するための効果的な方法を考案しようとしています。

シカゴ大学の物理学者とフェルミ加速器研究所によって最近設立された研究プロジェクトである「アクシオン検出のための広帯域反射体実験」（BREAD）は、暗い光子やアクシオンを含む軽い暗黒物質の候補を探索するための新しいアプローチを導入しました。

BREAD Collaboration によって提案された手法。 物理的なレビューレター、これらの粒子に関連する信号を拾うために同軸パラボラアンテナの使用が必要となります。

「私たちの周りには、非常に弱い相互作用しかなく、放射しない物質の形態があることはわかっていますが、それが何から作られているのかはわかっていません」と、BREADコラボレーションの責任著者であるステファン・クニルク氏はPhys.orgに語った。

「過去数十年にわたり、陽子と同様の質量を持つ新しい基本粒子を探すために多大な努力が払われてきましたが、ほとんど成功しませんでした。そこで、私たちは他の非常に意欲的な候補であるダークフォトンとアクシオンに目を向けました。」 」

暗黒光子とアクシオンは陽子の約 1 兆倍軽いと理論づけられているため、それらの検出にはまったく異なる技術が必要になります。 BREAD とのコラボレーションはまだ初期段階にありますが、これらのより軽い粒子を探索するために設計された 1 つの新しいテクノロジーが導入されました。 クニルク氏らによる最近の研究の目的は、最初の小規模実験でこの技術のテストを開始することでした。

「私たちの研究の背後にある考え方は、アクシオン（またはこの論文の場合はダークフォトン）の暗黒物質が存在する場合、それは金属の壁上で光の粒子（フォトン）に変換できるということです」とクニルク氏は説明した。 「光子は壁に対して垂直に放射されます。

「BREAD では、外側の円筒がこの壁に相当します。このすべての光は、信号を探すために光検出器またはアンテナを設置できる小さなスポットに集束されます。BREAD では、内側の涙滴型の反射板と、内側の涙滴型の反射板の組み合わせが、外筒がフォーカシングを担当します。」

セットアップをアクシオン暗黒物質に敏感にするために、BREAD コラボレーションは、実験の将来のバージョンで金属壁に平行な磁場を追加することもできます。 新しい検出器のユニークな特徴は、非常に大きな (m スケール) 高磁場 (マルチテスラ) ソレノイド磁石に適合できることです。

「この最初の実験では、家庭で食べ物を加熱するときに使用されるマイクロ波と同様の、マイクロ波環境における『光』の検出に焦点を当てました」とクニルク氏は述べた。 「この目的のために、私たちは焦点にカスタムのマイクロ波アンテナを設計し、アンテナが受信する最小電力を確認するための非常に高感度なスキームを設計しました。これは、フェルミ研究所で進行中の最先端の量子エレクトロニクス開発を活用しました。」

BREAD コラボレーションは昨年の夏、具体的には 2023 年 6 月から 7 月にかけて最初のデータを収集しました。収集したデータには、この期間中にアンテナが拾った熱ノイズと、増幅によって追加されたノイズが含まれています。

「このノイズ内では信号がわずかに過剰になる可能性があり、それを分析で探しました」とクニルク氏は述べた。 「これは、ラジオの周波数ノブを回すのと似ています。特定の周波数に放送局が存在しない場合はノイズが聞こえますが、ゆっくりと放送局に同調すると、その局の信号がノイズよりも優勢になり始めるのがわかります。 。」

Knirck と彼の共同研究者によって発表された最近の論文では、この新しい検出器を使用した暗黒光子の最初の探索結果の概要が説明されています。 彼らは関連する信号を検出しませんでしたが、彼らの実験は、以前に提案された方法よりも44〜52μeV（10.7〜12.5GHz）の範囲の質量範囲内の暗光子信号パワーに対して約10,000倍感度が高いことが判明しました。

「私たちの研究はこのコンセプトの可能性を実証しており、将来的にはこのコンセプトをスケールアップし、より高感度なものにするための準備を整えています」とクニルク氏は語った。 「これは、はるかに広い範囲の異なる暗黒物質質量に対してはるかに優れた感度を備えたこの技術を開発し続ける動機となっています。」

BREAD コラボレーションは、新しく考案されたアプローチにより、
最も適切な動機を持ったアクシオンモデルを探索し、その検出につながる可能性があり、それは素粒子天体物理学における大きな進歩となるでしょう。

研究者らは現在、アクシオンのような暗黒物質に対する感度を明らかにするために、アルゴンヌ国立研究所の4T磁石で実験を行っている。

「私たちはまた、このコンセプトとさまざまな最先端の量子技術を組み合わせて、焦点にある光の単一粒子を感知できるよう、さらに多くのプロトタイプを構築しているところです」とクニルク氏は付け加えた。 「フェルミ研究所では、私たちの実験をさらに高感度にするさらに強力な磁石を間もなく受け取る予定です。

「長期的な目標は、最も動機付けられたモデルを探索できるようにする、巨大な磁石の中に～10メートル規模のセットアップを備えた大規模な実験プログラムです。」

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