Una nueva forma sensible de detectar interacciones de partículas en el laboratorio se ha utilizado por primera vez para buscar axiones, una forma hipotética de materia oscura. Usando un llamado amplificador basado en espín, un equipo internacional de físicos logró restringir la masa del axión dentro de la "ventana de axión" predicha de 0.01 meV a 1 meV, cerrando así la brecha entre las búsquedas de laboratorio anteriores y las observaciones astrofísicas.
La hipótesis de los axiones se planteó por primera vez en la década de 1970 como una forma de explicar un enigma destacado en la física conocido como el problema de la paridad de carga. Según la teoría, se habrían producido abundantemente después del Big Bang, y deberían ser sin carga y mucho menos masivos que los electrones, lo que significa que interactuarían muy débilmente con la materia y la radiación electromagnética. Esto los convierte en un candidato popular para la materia oscura, una sustancia misteriosa que parece constituir la mayor parte de la materia del universo y afecta las propiedades gravitatorias de objetos grandes como las galaxias.
Interacción exótica dipolo-dipolo
El nuevo método de búsqueda de axiones aprovecha otra predicción sobre el comportamiento de los axiones: cuando los fermiones (partículas con espín medio entero) intercambian axiones, deberían producir una interacción exótica dipolo-dipolo que, en principio, podría detectarse en el laboratorio. En el último estudio, un equipo dirigido por Peng chino de las Universidad de Ciencia y Tecnología de China, junto con investigadores dirigidos por Dmitri Budker del desplegable Instituto Helmholtz, Universidad Johannes Gutenberg, Maguncia, Alemaniay Universidad de California en Berkeley en los Estados Unidos, combinó un gran conjunto de rubidio-87 polarizado (87Rb) átomos (una fuente de espines de electrones) con xeon-129 polarizado (129Xe) giros nucleares para buscar evidencia de esta interacción.
Los espines nucleares actúan como un amplificador para los campos seudomagnéticos débiles que podrían generarse mediante el intercambio de electrones con los axiones, y los experimentos demostraron que este amplificador basado en el espín podría aumentar los campos magnéticos externos en un factor de más de 40. “Entonces, los axiones podrían ser buscado midiendo este campo”, explica Peng. “Para buscar axiones con masas dentro de la ventana de axiones de 0.01 meV a 1 meV, ajustamos la distancia que 129El amplificador basado en espín Xe y la fuente de espín Rb en la escala de centímetros”.
La técnica permitió a los investigadores restringir la masa del axión de 0.03 meV a 1 meV, que se encuentra en el rango predicho por varias teorías, incluida la QCD de celosía de alta temperatura, el modelo estándar de inflación del portal Axion Seesaw Higgs (SMASH) y las redes de cuerdas de axiones. . “Hasta ahora, las búsquedas de laboratorio existentes (por ejemplo, experimentos de cavidades como ADMX) y las observaciones astrofísicas (por ejemplo, SN1987A, enanas blancas y cúmulos globulares) buscaban principalmente axiones con masas fuera de esta ventana (con la excepción del experimento ORGAN en Australia Occidental)”, dice Peng Mundo de la física. "Nuestro resultado llega al espacio de parámetros de la ventana de axiones, complementando los estudios astrofísicos y de laboratorio existentes sobre posibles extensiones del modelo estándar".
Mejora de la sensibilidad experimental
Peng dice que la técnica podría extenderse aún más para buscar una amplia variedad de partículas hipotéticas más allá del modelo estándar de física de partículas, como los bosones Z' y los fotones oscuros. “Con nuestra técnica, por ejemplo, podemos buscar una amplia gama de interacciones exóticas mediadas por nuevas partículas, como las interacciones mediadas por parafotones, cuya sensibilidad de búsqueda correspondiente debería ser muchos órdenes de magnitud mejor que las restricciones existentes”, dice Peng. “Además, podemos buscar directamente materia oscura galáctica similar a un axión que podría acoplarse con el nucleón, lo que permite una sensibilidad que supera los límites de laboratorio anteriores en varios órdenes de magnitud e incluso más allá de los obtenidos por observaciones astrofísicas”.
La luz comprimida impulsa la búsqueda de axiones de materia oscura
Mientras tanto, los investigadores, que detallan su trabajo en Physical Review Letters, dicen que intentarán mejorar aún más la sensibilidad de su técnica a las interacciones exóticas. Por ejemplo, usando un amplificador basado en 3Los espines de electrones o las fuentes de espín de estado sólido, como los cristales de pentaceno bombeados ópticamente, podrían ayudar a lograr esto, dicen.
