Eksperimen BREAD meningkatkan penelitian materi gelap dengan menggunakan desain broadband dan hemat ruang, sehingga membuka jalan bagi terobosan ilmiah di masa depan. Kredit: SciTechDaily.com
Pendekatan inovatif BREAD terhadap deteksi materi gelap menggunakan antena “piringan” koaksial untuk memindai partikel misterius.
Salah satu misteri besar ilmu pengetahuan modern adalah materi gelap. Kita tahu materi gelap ada berkat pengaruhnya terhadap objek lain di kosmos, tapi kita belum pernah bisa melihatnya secara langsung. Dan ini bukanlah hal yang sepele—saat ini, para ilmuwan memperkirakan bahwa massa tersebut membentuk sekitar 85% dari seluruh massa di alam semesta.
Eksperimen baru dengan kolaborasi yang dipimpin oleh Universitas Chicago dan Laboratorium Akselerator Nasional Fermi, yang dikenal sebagai Eksperimen Reflektor Broadband Aksi Deteksi atau ROTI, telah merilis hasil pertamanya dalam pencarian materi gelap dalam sebuah penelitian yang diterbitkan di Surat Tinjauan Fisik. Meskipun mereka tidak menemukan materi gelap, mereka mempersempit batasan lokasi materi gelap dan menunjukkan pendekatan unik yang dapat mempercepat pencarian materi misterius, dengan ruang dan biaya yang relatif kecil.
Rendering desain ROTI. Struktur berbentuk ‘Hershey’s Kiss’ menyalurkan potensi sinyal materi gelap ke detektor berwarna tembaga di sebelah kiri. Detektor ini cukup kompak untuk diletakkan di atas meja. Kredit: Kolaborasi ROTI
“Kami sangat gembira dengan apa yang telah kami lakukan sejauh ini,” kata UChicago Assoc. Prof David Miller, salah satu pemimpin eksperimen bersama Andrew Sonnenschein dari Fermilab, yang awalnya mengembangkan konsep eksperimen tersebut. “Ada banyak keuntungan praktis pada desain ini, dan kami telah menunjukkan sensitivitas terbaik hingga saat ini pada frekuensi 11-12 gigahertz.”
“Hasil ini merupakan tonggak sejarah bagi konsep kami, yang untuk pertama kalinya menunjukkan kekuatan pendekatan kami,” kata peneliti pascadoktoral Fermilab dan penulis utama studi Stefan Knirck, yang mempelopori konstruksi dan pengoperasian detektor. “Sungguh luar biasa melakukan sains skala meja yang kreatif ini, di mana tim kecil dapat melakukan segalanya mulai dari membuat eksperimen hingga analisis data, namun tetap memiliki dampak besar pada fisika partikel modern.”
‘Ada Sesuatu di Sana’
Ketika kita melihat sekeliling alam semesta, kita dapat melihat bahwa suatu jenis zat mengerahkan gravitasi yang cukup untuk menarik bintang-bintang dan galaksi serta meneruskan cahaya, namun belum ada teleskop atau perangkat yang pernah mendeteksi sumbernya secara langsung—oleh karena itu dinamakan ‘materi gelap’.
Namun, karena belum ada yang pernah melihat materi gelap, kita bahkan tidak tahu persis seperti apa bentuknya atau di mana tepatnya mencarinya. “Kami sangat yakin bahwa ada sesuatu yang terjadi, namun ada banyak bentuk yang bisa terjadi,” kata Miller.
Para ilmuwan telah memetakan beberapa pilihan tempat dan bentuk yang paling mungkin untuk dilihat. Biasanya, pendekatan yang dilakukan adalah dengan membangun detektor untuk mencari secara menyeluruh pada satu area tertentu (dalam hal ini, kumpulan frekuensi) untuk menyingkirkan kemungkinan tersebut.
Namun tim ilmuwan mengeksplorasi pendekatan yang berbeda. Desainnya bersifat “broadband”, yang berarti dapat mencari kemungkinan yang lebih luas, meskipun dengan presisi yang sedikit lebih rendah.
“Jika Anda menganggapnya seperti radio, pencarian materi gelap seperti menyetel tombol untuk mencari satu stasiun radio tertentu, hanya saja ada jutaan frekuensi yang harus diperiksa,” kata Miller. “Metode kami seperti melakukan pemindaian terhadap 100.000 stasiun radio, bukan hanya beberapa stasiun radio secara menyeluruh.”
Stefan Knirck dari Fermilab dengan komponen detektor ROTI. Kredit: Universitas Chicago
Bukti Konsep
Detektor ROTI mencari kemungkinan tertentu. Ia dibuat untuk mencari materi gelap dalam bentuk apa yang dikenal sebagai “axion” atau “foton gelap” – partikel dengan massa sangat kecil yang dapat diubah menjadi cahaya tampak. foto dalam situasi yang tepat.
Jadi, ROTI terdiri dari tabung logam berisi permukaan melengkung yang menangkap dan menyalurkan foton potensial ke sensor di salah satu ujungnya. Semuanya cukup kecil untuk muat di lengan Anda, yang tidak biasa untuk eksperimen semacam ini.
Dalam versi skala penuh, ROTI akan ditempatkan di dalam magnet untuk menghasilkan medan magnet yang kuat, yang meningkatkan kemungkinan mengubah partikel materi gelap menjadi foton.
Namun, sebagai bukti prinsipnya, tim menjalankan eksperimen tanpa magnet. Kolaborasi ini menjalankan perangkat prototipe di UChicago selama sekitar satu bulan dan menganalisis datanya.
Hasilnya sangat menjanjikan, menunjukkan sensitivitas yang sangat tinggi pada frekuensi yang dipilih, kata para ilmuwan.
Sejak hasilnya dipublikasikan di Surat Tinjauan Fisik diterima, ROTI telah dipindahkan ke dalam magnet MRI yang telah digunakan kembali di Laboratorium Nasional Argonne dan mengambil lebih banyak data. Rumah akhirnya, di Fermi National Accelerator Laboratory, akan menggunakan magnet yang lebih kuat.
“Ini hanyalah langkah pertama dalam serangkaian eksperimen menarik yang kami rencanakan,” kata Sonnenschein. “Kami punya banyak ide untuk meningkatkan sensitivitas pencarian aksi kami.”
“Masih banyak pertanyaan terbuka dalam sains, dan ruang yang sangat besar untuk ide-ide baru yang kreatif untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan tersebut,” kata Miller. “Saya pikir ini adalah contoh nyata dari ide-ide kreatif semacam itu—dalam hal ini, kemitraan kolaboratif yang berdampak antara ilmu pengetahuan skala kecil di universitas dan ilmu pengetahuan skala besar di laboratorium nasional.”
Instrumen ROTI dibuat di Fermilab sebagai bagian dari program penelitian dan pengembangan detektor laboratorium dan kemudian dioperasikan di UChicago, tempat pengumpulan data untuk penelitian ini. Mahasiswa pascasarjana UChicago Ph.D, Gabe Hoshino, memimpin pengoperasian detektor, bersama dengan mahasiswa sarjana Alex Lapuente dan Mira Littmann.
Laboratorium Nasional Argonne memiliki fasilitas magnet penting yang akan digunakan untuk tahap selanjutnya dari program fisika ROTI. Institusi lain, termasuk SLAC National Accelerator Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory, Illinois Institute of Technology, DENGANLaboratorium Propulsi Jet, itu Universitas WashingtonCaltech, dan University of Illinois di Urbana-Champaign, bekerja sama dengan UChicago dan Fermilab dalam penelitian dan pengembangan untuk versi eksperimen mendatang.
Referensi: “Hasil Pertama dari Pencarian Broadband untuk Foton Gelap Materi Gelap dalam Rentang 44 hingga 52 μeV dengan Antena Piring Koaksial” paling lambat 28 Maret 2024, Surat Tinjauan Fisik.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.131004
Pendanaan: Kantor Sains Departemen Energi AS, Inisiatif Satuan Tugas Gabungan Universitas Chicago, Cambridge Junior Research Fellowship, Institut Kavli untuk Astrofisika Partikel dan Kosmologi Porat Fellowship.
