Ένας ευαίσθητος νέος τρόπος ανίχνευσης αλληλεπιδράσεων σωματιδίων στο εργαστήριο χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά για την αναζήτηση αξόνων, μια υποθετική μορφή σκοτεινής ύλης. Χρησιμοποιώντας έναν λεγόμενο ενισχυτή με βάση το σπιν, μια διεθνής ομάδα φυσικών πέτυχε να περιορίσει τη μάζα του άξονα εντός του προβλεπόμενου «παραθύρου άξονα» των 0.01 meV σε 1 meV, γεφυρώνοντας έτσι το χάσμα μεταξύ προηγούμενων εργαστηριακών αναζητήσεων και αστροφυσικών παρατηρήσεων.
Τα Άξιον υποτέθηκαν για πρώτη φορά στη δεκαετία του 1970 ως ένας τρόπος να εξηγηθεί ένα εξαιρετικό παζλ στη φυσική, γνωστό ως πρόβλημα ισοτιμίας φορτίου. Σύμφωνα με τη θεωρία, θα είχαν παραχθεί άφθονα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη και θα έπρεπε να είναι τόσο άφορτα όσο και πολύ μικρότερης μάζας από τα ηλεκτρόνια, πράγμα που σημαίνει ότι θα αλληλεπιδρούσαν πολύ ασθενώς με την ύλη και την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Αυτό τους καθιστά δημοφιλείς υποψήφιους για τη σκοτεινή ύλη, μια μυστηριώδη ουσία που φαίνεται να αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος της ύλης του σύμπαντος και επηρεάζει τις βαρυτικές ιδιότητες μεγάλων αντικειμένων όπως οι γαλαξίες.
Εξωτική αλληλεπίδραση διπόλου-διπόλου
Η νέα μέθοδος αναζήτησης άξονα εκμεταλλεύεται μια περαιτέρω πρόβλεψη σχετικά με τη συμπεριφορά των αξόνων: όταν τα φερμιόνια (σωματίδια με μισό ακέραιο σπιν) ανταλλάσσουν αξιόνια, θα πρέπει να παράγουν μια εξωτική αλληλεπίδραση διπόλου-διπόλου που θα μπορούσε, κατ' αρχήν, να ανιχνευθεί στο εργαστήριο. Στην τελευταία μελέτη, μια ομάδα με επικεφαλής τον Xinhua Peng του Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας, μαζί με ερευνητές με επικεφαλής τον Ντμίτρι Μπάντκερ από το Ινστιτούτο Helmholtz, Πανεπιστήμιο Johannes Gutenberg, Mainz, Γερμανία, να UC Berkeley στις ΗΠΑ, συνδύασε ένα μεγάλο σύνολο πολωμένου ρουβιδίου-87 (87Rb) άτομα (μια πηγή σπιν ηλεκτρονίων) με πολωμένο xeon-129 (129Xe) πυρηνικές περιστροφές για να αναζητηθούν στοιχεία αυτής της αλληλεπίδρασης.
Τα πυρηνικά σπιν λειτουργούν ως ενισχυτής για ασθενή ψευδομαγνητικά πεδία που θα μπορούσαν να δημιουργηθούν από ηλεκτρόνια που ανταλλάσσουν άξονες, και τα πειράματα έδειξαν ότι αυτός ο ενισχυτής που βασίζεται σε σπιν θα μπορούσε να ενισχύσει τα εξωτερικά μαγνητικά πεδία κατά περισσότερο από 40. έψαξε μέσω της μέτρησης αυτού του πεδίου», εξηγεί ο Peng. «Για να αναζητήσουμε αξόνια με μάζες εντός του παραθύρου άξονα 0.01 meV έως 1 meV, προσαρμόζουμε την απόσταση 129Ενισχυτής που βασίζεται σε σπιν Xe και η πηγή σπιν Rb στην κλίμακα εκατοστών.
Η τεχνική επέτρεψε στους ερευνητές να περιορίσουν τη μάζα του άξονα από 0.03 meV σε 1 meV, η οποία βρίσκεται στο εύρος που προβλέπεται από διάφορες θεωρίες, όπως το πλέγμα υψηλής θερμοκρασίας QCD, το πρότυπο φουσκώματος πύλης Axion Seesaw Higgs (SMASH) και τα δίκτυα χορδών άξονα . «Μέχρι τώρα, οι υπάρχουσες εργαστηριακές αναζητήσεις (για παράδειγμα, πειράματα κοιλότητας όπως το ADMX) και οι αστροφυσικές παρατηρήσεις (για παράδειγμα, SN1987A, λευκοί νάνοι και Σφαιρικά σμήνη) αναζητούσαν κυρίως αξόνια με μάζες έξω από αυτό το παράθυρο (με εξαίρεση το πείραμα ORGAN στο Δυτική Αυστραλία), λέει ο Peng Κόσμος Φυσικής. «Το αποτέλεσμά μας φτάνει στον χώρο παραμέτρων axion-window, συμπληρώνοντας τις υπάρχουσες αστροφυσικές και εργαστηριακές μελέτες για πιθανές επεκτάσεις Standard-Model».
Βελτίωση πειραματικής ευαισθησίας
Ο Peng λέει ότι η τεχνική μπορεί να επεκταθεί περαιτέρω για την αναζήτηση μιας μεγάλης ποικιλίας υποθετικών σωματιδίων πέρα από το Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής, όπως τα μποζόνια Z' και τα σκοτεινά φωτόνια. «Με την τεχνική μας, για παράδειγμα, μπορούμε να αναζητήσουμε ένα ευρύ φάσμα εξωτικών αλληλεπιδράσεων που προκαλούνται από νέα σωματίδια, όπως αλληλεπιδράσεις με τη μεσολάβηση παραφωτόνια, των οποίων η αντίστοιχη ευαισθησία αναζήτησης θα πρέπει να είναι πολλές τάξεις μεγέθους καλύτερη από τους υπάρχοντες περιορισμούς», λέει ο Peng. «Επιπλέον, μπορούμε να ψάξουμε άμεσα για γαλαξιακή σκοτεινή ύλη παρόμοια με το αξόνιο που θα μπορούσε να συζευχθεί με το νουκλεόνιο, επιτρέποντας μια ευαισθησία που ξεπερνά τα προηγούμενα εργαστηριακά όρια κατά πολλές τάξεις μεγέθους και ακόμη και πέρα από αυτά που λαμβάνονται από αστροφυσικές παρατηρήσεις».
Το συμπιεσμένο φως ενισχύει την αναζήτηση αξόνων της σκοτεινής ύλης
Στο μεταξύ, οι ερευνητές, οι οποίοι αναλύουν το έργο τους σε Επιστολές Φυσικής Επισκόπησης, λένε ότι θα προσπαθήσουν να βελτιώσουν περαιτέρω την ευαισθησία της τεχνικής τους σε εξωτικές αλληλεπιδράσεις. Για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας έναν ενισχυτή με βάση 3Οι σπιν ηλεκτρονίων ή οι πηγές σπιν στερεάς κατάστασης, όπως οι κρύσταλλοι πεντακενίου με οπτική άντληση, θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην επίτευξη αυτού του στόχου, λένε.
