تجربة المادة المظلمة أكسيون

كان يُفترض في الأصل وجود الأكسيون كجزء من حل "مشكلة التناظر القوي CP". نشأت هذه المشكلة من ملاحظة أن القوة النووية القوية التي تربط النوى ببعضها والقوة النووية الضعيفة التي تُسبب تحللها تختلفان في مقدار انتهاك التناظر CP في تفاعلاتهما. كان من المتوقع أن يُغذي التفاعل الضعيف التفاعلات القوية ( في الديناميكا اللونية الكمومية )، مما يُؤدي إلى انتهاك ملحوظ للتناظر CP في الديناميكا اللونية الكمومية ، ولكن لم يُرصد أي انتهاك من هذا القبيل بدقة عالية. أحد حلول مشكلة التناظر القوي CP هذه هو تقديم جسيم جديد يُسمى الأكسيون . إذا كان الأكسيون خفيفًا جدًا، فإنه يتفاعل بشكل ضعيف للغاية لدرجة أنه يكاد يكون من المستحيل اكتشافه، ولكنه سيكون مرشحًا مثاليًا للمادة المظلمة. يهدف مشروع ADMX إلى اكتشاف هذا الجسيم ذي الاقتران الضعيف للغاية.

على الرغم من أن المادة المظلمة لا يمكن رؤيتها مباشرة، إلا أن تفاعلاتها الجاذبية مع المادة المألوفة تُقدم أدلة قاطعة على وجودها. فالكون اليوم لن يكون على ما هو عليه لولا المادة المظلمة. وباعتبارها أكثر وفرة من المادة العادية بخمس مرات تقريبًا، تبقى طبيعة المادة المظلمة واحدة من أكبر ألغاز الفيزياء. فبالإضافة إلى حل مشكلة التناظر القوي CP ، قد يُقدم الأكسيون إجابة على سؤال "ممّ تتكون المادة المظلمة؟". الأكسيون جسيم متعادل ذو تفاعل ضعيف للغاية، ويمكن إنتاجه بكمية كافية لتكوين المادة المظلمة. إذا كانت المادة المظلمة التي تُشكل الجزء الأكبر من المادة في كوننا هي الأكسيونات، فإن تجربة ADMX تُعد واحدة من التجارب القليلة القادرة على رصدها.

يُعد تجويف الميكروويف الموجود داخل تجويف المغناطيس جوهر جهاز ADMX. وهو عبارة عن أسطوانة دائرية طولها متر واحد وقطرها نصف متر. يبحث جهاز ADMX عن الأكسيونات من خلال مسح تردد رنين التجويف ببطء عن طريق ضبط موضع قضيبين رنين داخل التجويف. وتظهر إشارة عندما يتطابق تردد رنين التجويف مع كتلة الأكسيون.

الإشارة المتوقعة من اضمحلال الأكسيون ضئيلة للغاية، لذا يتم تبريد التجربة بأكملها إلى أقل من 4.2 كلفن باستخدام مبرد هيليوم سائل لتقليل التشويش الحراري. ويتم أخذ عينات من المجال الكهربائي داخل التجويف بواسطة هوائي صغير متصل بجهاز استقبال ميكروويف فائق الهدوء.

يُتيح جهاز استقبال الموجات الميكروية فائق الانخفاض في الضوضاء إجراء هذه التجربة. وتُعدّ الضوضاء الحرارية الناتجة عن تجويف الرنين والإلكترونيات الخاصة بجهاز الاستقبال هي الضوضاء الخلفية السائدة. تُضخّم الإشارات الصادرة من تجويف الرنين بواسطة مُضخّم جهاز التداخل الكمومي فائق التوصيل (SQUID)، يليه مُضخّمات HFET فائقة الانخفاض في الضوضاء تعمل في درجات حرارة منخفضة للغاية . ثم يقوم جهاز الاستقبال بتحويل ترددات تجويف الرنين الميكروية إلى تردد أقل يُمكن تحويله إلى تردد رقمي وحفظه بسهولة. سلسلة الاستقبال حساسة لطاقات أقل من 10 رونتوواط؛ وهذا هو جهاز استقبال الموجات الميكروية الأقل ضوضاءً في العالم في بيئة الإنتاج.

في أول تطبيق للتجربة عام 1996، بلغت درجة حرارة ضوضاء المضخم حوالي 2  كلفن. ^{[ 5 ]} وفي عام 2009، استُبدل مضخم المرحلة الأولى بمضخم SQUID، مما خفض الضوضاء بشكل كبير (إلى أقل من 100  ملي كلفن) وحسّن الحساسية بشكل ملحوظ. ^{[ 5 ]} وقد أثبتت شركة ADMX أن مضخم SQUID يسمح بحساسية طاقة محدودة كميًا. وفي عام 2016، حصلت ADMX على مضخمات جوزيفسون البارامترية التي تتيح عمليات بحث محدودة الضوضاء الكمومية عند ترددات أعلى. ^{[ 6 ]}

كان إضافة مُبرّد التخفيف محور التركيز الرئيسي لبرنامج التحديث لعام 2016. ^{[ 4 ]} يسمح مُبرّد التخفيف بتبريد الجهاز إلى 100  ملي كلفن أو أقل، مما يقلل التشويش إلى 150  ملي كلفن، وبالتالي يُسرّع عملية جمع البيانات بمقدار 400 ضعف. وهذا ما يجعله "التجربة الحاسمة".

يستخدم جهاز Haloscope at Yale Sensitive to Axion CDM، أو HAYSTAC (المعروف سابقًا باسم ADMX-High Frequency)، والموجود في جامعة ييل  ، مضخمًا بارامتريًا من نوع Josephson، ومغناطيسًا بقوة 9 تسلا، وتجويفًا للميكروويف بنصف قطر 5  سم وارتفاع 25  سم للبحث عن كتل تتراوح بين 19 و24  ميكرو إلكترون فولت.

يُعدّ ADMX-Orpheus تجربة ثانوية ضمن مشروع ADMX، تُبرهن على استخدام تجويف فابري-بيرو المُحمّل بمادة عازلة للبحث عن الأكسيونات ذات الكتلة العالية والفوتونات المظلمة بالقرب من 70 ميكرو إلكترون فولت. في عام 2022، نشر Orpheus نتائج بحثه الأول بين 65.5 ميكرو إلكترون فولت (15.8 جيجاهرتز) و69.3 ميكرو إلكترون فولت (16.8 جيجاهرتز). ومع ترقيات الأجهزة، يُتوقع أن يُجري Orpheus عمليات بحث تتراوح بين 45 و80 ميكرو إلكترون فولت. ^{[ 7 ]}