Search for exotic spin couplings with the global network of optical magnetometers for exotic physics searches
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Die derzeitigen Erkenntnisse deuten darauf hin, dass die Teilchen und Wechselwirkungen des Standardmodells nur $4,9\%$ des Energiegehalts im Universum ausmachen. Der größte Beitrag ($68,3\%$) wird der dunklen Energie zugeschrieben, während der Rest ($26,8\%$) der dunklen Materie zugerechnet wird. Diese unsichtbare und nicht identifizierte Materie wurde postuliert, um ansonsten unerklärliche Gravitationseffekte auf galaktischen und größeren Skalen zu erklären. Auch wenn man meinen könnte, dass alles bekannt ist, machen diese Prozentzahlen deutlich, dass es noch viel zu entdecken gibt.
Jahrzehntelange Forschung konnte die Beschaffenheit der dunklen Materie noch nicht bestimmen. Dieser nicht schlüssige Befund zwingt die Physik dazu, immer originellere und unkonventionellere Ideen zu entwickeln. Das Globale Netzwerk Optischer Magnetometer für die Suche nach exotischer Physik (GNOME) wurde ins Leben gerufen, um unorthodoxen Szenarien zu untersuchen.
GNOME ist ein synchronisiertes Netzwerk global verteilter spinempfindlicher Magnetometer. Mit anderen Worten: ein erdgroßes Observatorium für exotische Physik. Dessen Sensoren beruhen auf Kopplungen mit Elektronen-, Protonen- und/oder Neutronenspins und aufgrund seiner Größe eignet sich das Netzwerk gut für die Suche nach exotischen Feldern mit Orts- und/oder Richtungsabhängigkeit.
Axione oder allgemeiner axionähnliche Teilchen (ALPs aus dem englischen axion-like particles) sind leichte bis ultraleichte hypothetische Bosonen, die Beobachtungen der dunklen Materie erklären könnten. Unter bestimmten Annahmen können solche Teilchen verklumpen und Strukturen auf subgalaktischen Skalen bilden. Darüber hinaus umfassen ihre möglichen Wechselwirkungen Kopplungen mit fermionischen Spins. Diese Eigenschaften machen GNOME empfindlich für solche Teilchen.
Diese Arbeit widmet sich der Suche nach Signaturen von ALP-Domänenwänden. Das ALP-Feld kann 2-dimensionale topologische Defekte auf subgalaktischen Skalen bilden, die Domänenwände genannt werden. Die Erde könnte auf ihrer Reise durch unsere Galaxie auf solche Strukturen treffen. Im Falle einer Begegnung würde sich ein charakteristisches Muster in das Netzwerk einprägen. Es wurde ein Algorithmus entwickelt, um solche Muster zu erkennen, ihre Bedeutung zu berechnen und ihre Empfindlichkeit zu bewerten. Um die Fähigkeiten von GNOME zu erweitern, wurde auch untersucht, ob es möglich ist, nach stochastischen Eigenschaften eines axionartigen Teilchenhintergrundfeldes zu suchen.