Αξιόνια – Μια νέα πρόταση ανιχνευτή με βάση την αλληλεπίδραση με πλάσμα

Οι έρευνες για τα [υποθετικά] αξιόνια, έναν από τους υποψήφιους για την σκοτεινή ύλη, συνήθως χρησιμοποιούν μια συσκευή που αποκαλείται αλοσκόπιο (haloscope), που μετατρέπει τα αξιόνια σε φωτόνια μέσω αρκετών διαφορετικών μηχανισμών. Ωστόσο, οι σημερινές συσκευές μπορούν να αισθανθούν τα αξιόνια μόνο αν η μάζα τους, η οποία είναι άγνωστη, είναι όχι περισσότερη από αρκετές δεκάδες μeV. Ο Alexander Millar, του Πανεπιστημίου της Στοκχόλμης και οι συνεργάτες του έχουν προτείνει το σχεδιασμό ενός νέου αλοσκοπίου, που βασίζεται στις αλληλεπιδράσεις αξιόνιου με πλάσμα, που θα μπορούσε να επεκτείνει την άνω ανιχνεύσιμη μάζα κατά μια τάξη μεγέθους.

Η υπάρχουσα θεωρία προβλέπει ότι ένα αξιόνιο που τοποθετείται σε μαγνητικό πεδίο θα αναμιχθεί με πλάσμα για να δημιουργήσει ένα ταλαντούμενο ρεύμα. Για ορισμένα πλάσματα, η αλληλεπίδραση παράγει ένα δυνάμει ανιχνεύσιμο πλασμόνιο (plasmon), έναν τύπο οιονεί σωματίου που γίνεται από ταλαντούμενα ηλεκτρόνια. Χρησιμοποιώντας αναλυτικά και αριθμητικά μοντέλα, η ομάδα έδειξε ότι για να παραχθεί αυτό το πλασμόνιο, η χαρακτηριστική συχνότητα του πλάσματος – ο ρυθμός με τον οποίο φορτία ταλαντώνονται φυσικά όταν μετατοπίζονται σε μικρές αποστάσεις – πρέπει να ταιριάζουν με τη συχνότητα του αξιόνιου, η οποία εξαρτάται από τη μάζα του σωμάτιου.

Για να παραχθεί ένα τέτοιο πλάσμα, η ομάδα προτείνει μια κυλινδρική συσκευή, 60 εκατοστών κατά τη μια διάσταση, που περιέχει μια συστοιχία παράλληλων λεπτών συρμάτων σε μαγνητικό πεδίο. Σε αυτή τη διάταξη, τα σύρματα συμπεριφέρονται όπως ένα πλάσμα του οποίου η χαρακτηριστική συχνότητα μπορεί να συντονίζεται αλλάζοντας την απόσταση μεταξύ των συρμάτων. Αυτός ο τύπος της συσκευής θα ήταν ευαίσθητος σε αξιόνια με μάζες μεταξύ 35 και 400 μeV. Ενώ το ολικό μέγεθος των υφιστάμενων αλοσκοπίων προσδιορίζει το εύρος της μάζας του αξιόνιου που μπορούν να ανιχνευθούν, το εύρος ανίχνευσης της νέας αυτής συσκευής εξαρτάται μόνο με την απόσταση μεταξύ των συρμάτων. Η εξάρτηση αυτή θα επέτρεπε τους ερευνητές να κάνουν μια συσκευή με μεγάλο όγκο, αυξάνοντας έτσι την πιθανότητα να ανιχνεύσει ένα αξιόνιο.