En følsom ny måde at påvise partikelinteraktioner i laboratoriet er blevet brugt for første gang til at søge efter axioner, en hypotetisk form for mørkt stof. Ved hjælp af en såkaldt spin-baseret forstærker lykkedes det et internationalt hold af fysikere at begrænse aksionsmassen inden for det forudsagte "aksionsvindue" på 0.01 meV til 1 meV, og derved bygge bro mellem tidligere laboratoriesøgninger og astrofysiske observationer.
Axions blev først antaget i 1970'erne som en måde at forklare et fremragende puslespil i fysik kendt som ladningsparitetsproblemet. Ifølge teorien ville de være blevet produceret rigeligt efter Big Bang og skulle være både ladningsløse og meget mindre massive end elektroner, hvilket betyder, at de ville interagere meget svagt med stof og elektromagnetisk stråling. Dette gør dem til en populær kandidat for mørkt stof, et mystisk stof, der ser ud til at udgøre det meste af universets stof og påvirker gravitationsegenskaberne af store objekter såsom galakser.
Eksotisk dipol-dipol interaktion
Den nye aksionssøgningsmetode udnytter en yderligere forudsigelse om axionsadfærd: når fermioner (partikler med halvt heltals spin) udveksler axioner, skulle de producere en eksotisk dipol-dipol-interaktion, som i princippet kunne detekteres i laboratoriet. I den seneste undersøgelse har et hold ledet af Xinhua Peng af Universitetet for Videnskab og Teknologi i Kina, sammen med forskere ledet af Dmitry Budker fra Helmholtz Instituttet, Johannes Gutenberg Universitetet, Mainz, Tysklandog UC Berkeley i USA, kombineret et stort ensemble af polariseret rubidium-87 (87Rb) atomer (en kilde til elektronspin) med polariseret xeon-129 (129Xe) nukleare spins for at lede efter beviser for denne interaktion.
De nukleare spins fungerer som en forstærker for svage pseudomagnetiske felter, der kunne genereres af elektroner, der udveksler aksioner, og eksperimenter viste, at denne spin-baserede forstærker kunne forstærke eksterne magnetfelter med en faktor på mere end 40. "Aksionerne kunne så være søgte gennem måling af dette felt,” forklarer Peng. "For at søge efter aksioner med masser inden for aksionsvinduet på 0.01 meV til 1 meV, justerer vi afstanden mellem 129Xe spin-baseret forstærker og Rb-spinkilden til centimeterskalaen."
Teknikken gjorde det muligt for forskerne at begrænse aksionsmassen fra 0.03 meV til 1 meV, hvilket ligger inden for det område, der er forudsagt af flere teorier, herunder højtemperaturgitter QCD, Standard Model Axion Seesaw Higgs portal inflation (SMASH) model og axion string netværk . "Indtil nu har eksisterende laboratoriesøgninger (for eksempel hulrumseksperimenter som ADMX) og astrofysiske observationer (for eksempel SN1987A, hvide dværge og kugleklynger) mest søgt efter aksioner med masser uden for dette vindue (med undtagelse af ORGAN-eksperimentet i Western Australia),« fortæller Peng Fysik verden. "Vores resultat når ind i axion-vinduets parameterrum og supplerer eksisterende astrofysiske og laboratorieundersøgelser af potentielle standardmodeludvidelser."
Forbedring af eksperimentel følsomhed
Peng siger, at teknikken kan udvides yderligere til at søge efter en lang række hypotetiske partikler ud over standardmodellen for partikelfysik, såsom Z'-bosoner og mørke fotoner. "Med vores teknik kan vi for eksempel søge efter en bred vifte af eksotiske interaktioner medieret af nye partikler, såsom paraphoton-medierede interaktioner, hvis tilsvarende søgefølsomhed burde være mange størrelsesordener bedre end eksisterende begrænsninger," siger Peng. "Derudover kan vi direkte søge efter aksionslignende galaktisk mørkt stof, der kunne kobles med nukleonet, hvilket muliggør en følsomhed, der overstiger tidligere laboratoriegrænser med flere størrelsesordener og endda ud over dem, der opnås ved astrofysiske observationer."
Sammenpresset lys øger søgen efter mørkt stof-aksioner
I mellemtiden har forskerne, som detaljerer deres arbejde i Physical Review Letters, siger, at de vil forsøge yderligere at forbedre deres tekniks følsomhed over for eksotiske interaktioner. For eksempel ved at bruge en forstærker baseret på 3Han elektronspin eller solid-state spin kilder såsom optisk pumpede pentacen krystaller kunne hjælpe med at opnå dette, siger de.
