Axioner, hypotetiska subatomära partiklar som först föreslogs av teoretiska fysiker i slutet av 1970-talet, är fortfarande bland de mest lovande kandidaterna för mörk materia. Fysikteorier tyder på att växelverkan mellan dessa partiklar och vanlig materia är extremt svag, vilket gör dem mycket svåra att upptäcka med konventionella experimentella metoder.
HAYSTAC-experimentet (Haloscope at Yale Sensitive to Axion Cold Dark Matter) är ett forskningssamarbete mellan Yale, Berkeley och Johns Hopkins som syftar till att upptäcka axioner genom att söka efter de små elektromagnetiska signaler som de kan avge i ett starkt magnetfält.
I en nyligen publicerad artikel i Physical Review Letters har HAYSTAC-samarbetet rapporterat resultaten av den hittills mest omfattande sökningen efter axioner, med hjälp av en teknik som kallas kvantkomprimering, som är utformad för att minska kvantbrus (dvs. slumpmässiga fluktuationer som påverkar haloskopets mätningar negativt).
”Axionen introducerades för att förklara avsaknaden av laddningskonjugation och paritet (CP) asymmetri i den starka kraften, och den ursprungliga idén om hur man skulle söka efter axioner kom från Sikivie”, berättade Reina Maruyama, medförfattare till artikeln, för Phys.org. ”Steve Lamoreaux har länge arbetat med det starka CP-problemet, med utgångspunkt i sitt arbete med att söka efter det permanenta elektriska dipolmomentet i kvicksilveratomer och neutroner.”
Axioner introducerades ursprungligen av teoretikerna Frank Wilczek och Steven Weinberg för att förklara tidsomvändningssymmetri i starka kärnkrafter. Så småningom blev de dock också en möjlig kandidat för mörk materia, den svårfångade typen av materia som endast har svag växelverkan med elektromagnetisk strålning men ändå tros utgöra större delen av universums massa.
”Teoretiskt sett finns det en ren talparameter (theta, den grekiska bokstaven) som anger nivån av tidsomvändningsasymmetri, och den kan i princip vara vad som helst, men dess värde är under 0,0000000001 (10-10), främst begränsat av neutronens elektriska dipolmoment”, säger Steve Lamoreaux, medförfattare till artikeln.
”Tidsomvändningsasymmetri observeras dock i sönderfallet av ’konstiga’ mesoner, så varför den är så liten i kärnkraften är ett mysterium som löses av axionen (i kollektiv mening). Pierre Sikivie verkar vara den första som insett att axionen kan fungera som en kandidat för mörk materia, eftersom den endast interagerar mycket svagt med materia eller elektromagnetiska fält.”
Upptäckten att lätta axioner skulle kunna mätta universums materia-täthet rapporterades nästan samtidigt av tre olika forskargrupper. Den första leddes av Sikivie och Lou Abbott, den andra av Michael Dine och Willy Fischler, och den tredje av John Preskill, Mark Wise och Frank Wilczek.
Insidan av experimentet, med resonatorhåligheten längst ner. Källa: HAYSTAC Collaboration
Kort efter att ha introducerat idén att axioner skulle kunna vara en kandidat för mörk materia, skissade Sikivie också på konceptet med en ”haloskop” – en galaktisk halo-detektor för mörk materia – ett instrument som bygger på en mikrovågsresonator placerad i ett mycket starkt magnetfält. Detta magnetfält skulle få axioner att omvandlas till fotoner med radio- eller mikrovågsfrekvenser, vilket i sin tur skulle göra det möjligt att direkt detektera dem, trots att de associerade signalerna är mycket svaga.
”För femton år sedan verkade det som om Sikivie-typens mikrovågskavitetsexperiment gjorde goda framsteg och förbättrade känsligheten i gigahertz-området, men att det som behövdes var en banbrytande insats för att öppna det högre massområdet mot postinflationsaxionen”, säger Karl van Bibber, medförfattare till artikeln. ”HAYSTAC-experimentet var tänkt som en vägvisare och ett innovationslaboratorium för nya förstärkar- och resonatorkoncept vid allt högre frekvenser. Detta skulle kräva att vi förblev ett litet, flexibelt experiment.”
I takt med att frekvenserna ökade ökade också utmaningarna när man försökte detektera axioner med haloskop. Högre frekvenser innebär till exempel också en minskning av konverteringshålrummets volym och en lägre densitet av axioner för en given halomassa per volymenhet.
I fas II av sitt experiment använde forskarna kvantmätningsteknik och kvantkomprimering för att öka känsligheten. Hittills är HAYSTAC ett av två experiment i världen, tillsammans med det större forskningsprojektet Advanced LIGO, som använde kvantkomprimering för att öka mätverktygens känslighet.
HAYSTAC-samarbetet integrerade också externa kryogenfria utspädningskylare i sin uppställning, vilket inte användes vid tidigare axionsökningar. Både kvantkomprimering och utspädningskylare gjorde det möjligt för dem att sänka de finansiella kostnaderna för att bygga och driva haloskopet.
Även om de inte upptäckte några signaler som kunde kopplas till axioner, kunde teamet söka i ett större parameterutrymme. I framtiden planerar de att fortsätta förbättra HAYSTAC-utrustningen och fortsätta sökandet efter axionmörk materia, samtidigt som de arbetar med andra sökningar efter mörk materia med hjälp av haloskop och utrustning vid Yale.
”Vi har flera idéer om hur vi kan driva experimentet vidare för att söka efter axioner med högre massa, och vi arbetar med flera kvantteknikinspirerade idéer för att förbättra detekteringsteknikerna”, säger Danielle Speller, medförfattare till artikeln.
”ALPHA-experimentet är en naturlig förlängning, liksom detektering av enstaka fotoner med Rydbergatomer och detekteringsförbättring, som vi kallar CEASEFIRE, som beskrivs i denna artikel. CEASEFIRE är ett kraftfullt kvantförbättringsschema som använder tvåkavitetsentanglement med tillståndsutbyte för att påskynda sökningen med en storleksordning. Sökningen över 10 GHz för också kaviteter in i världen av fotoniska strukturer och i slutändan superledande metamaterialbaserade resonatorer, vilket vi arbetar med.”
ALPHA-experimentet är ett större forskningssamarbete som syftar till att detektera axioner med betydligt större massor, särskilt i axion-massregimen efter inflationen. Detta experiment kommer att förlita sig på ett annat instrument som kallas plasma-haloskop, som för närvarande byggs vid Yale.
Mer information: Xiran Bai et al, Dark Matter Axion Search with HAYSTAC Phase II, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.151006
