تقویت کننده مبتنی بر اسپین برای اکسیون ها جستجو می کند

یک روش حساس جدید برای تشخیص فعل و انفعالات ذرات در آزمایشگاه برای اولین بار برای جستجوی اکسیون ها، شکلی فرضی از ماده تاریک، استفاده شده است. با استفاده از یک تقویت‌کننده به اصطلاح مبتنی بر اسپین، یک تیم بین‌المللی از فیزیکدانان موفق شدند جرم آکسیون را در "پنجره محوری" پیش‌بینی‌شده 0.01 مگا ولت به 1 مگا ولت محدود کنند، و در نتیجه شکاف بین جستجوهای آزمایشگاهی قبلی و مشاهدات اخترفیزیکی را پر کنند.

اکسیون ها برای اولین بار در دهه 1970 به عنوان راهی برای توضیح یک معمای برجسته در فیزیک به نام مسئله برابری بار مطرح شدند. بر اساس تئوری، آنها پس از انفجار بزرگ به وفور تولید می شدند و باید هم بدون بار و هم جرم کمتری نسبت به الکترون ها داشته باشند، به این معنی که برهم کنش بسیار ضعیفی با ماده و تابش الکترومغناطیسی خواهند داشت. این امر آنها را به نامزدی محبوب برای ماده تاریک تبدیل می کند، ماده ای مرموز که به نظر می رسد بیشتر ماده جهان را تشکیل می دهد و بر ویژگی های گرانشی اجرام بزرگی مانند کهکشان ها تأثیر می گذارد.

تعامل عجیب دوقطبی-دوقطبی

روش جدید جستجوی محور از یک پیش‌بینی بیشتر در مورد رفتار آکسیون بهره می‌برد: وقتی فرمیون‌ها (ذراتی با چرخش نیم عدد صحیح) آکسیون‌ها را مبادله می‌کنند، باید یک برهمکنش عجیب دوقطبی-دوقطبی ایجاد کنند که در اصل می‌تواند در آزمایشگاه شناسایی شود. در آخرین مطالعه، تیمی به رهبری شین هوا پنگ از دانشگاه علم و صنعت چین، همراه با محققان به رهبری دیمیتری بودکر از موسسه هلمهولتز، دانشگاه یوهانس گوتنبرگ، ماینتس، آلمانو UC Berkeley در ایالات متحده، مجموعه بزرگی از روبیدیوم-87 قطبی شده را ترکیب کرد (⁸⁷Rb) اتم ها (منبع اسپین های الکترون) با زنون-129 قطبی شده (¹²⁹Xe) چرخش هسته ای برای جستجوی شواهدی از این تعامل.

اسپین‌های هسته‌ای به‌عنوان تقویت‌کننده‌ای برای میدان‌های شبه مغناطیسی ضعیف عمل می‌کنند که می‌توانند توسط الکترون‌های مبادله محورها ایجاد شوند، و آزمایش‌ها نشان داد که این تقویت‌کننده مبتنی بر اسپین می‌تواند میدان‌های مغناطیسی خارجی را تا ضریب بیش از ۴۰ افزایش دهد. پنگ توضیح می‌دهد که از طریق اندازه‌گیری این میدان جستجو کرد. برای جستجوی اکسیون‌هایی با جرم در پنجره محوری 40 مگا ولت تا 0.01 مگا ولت، فاصله را تنظیم می‌کنیم. ¹²⁹تقویت کننده مبتنی بر اسپین Xe و منبع اسپین Rb در مقیاس سانتی متر.

این تکنیک به محققان اجازه داد تا جرم آکسیون را از 0.03 مگا ولت به 1 مگا ولت محدود کنند، که در محدوده پیش بینی شده توسط چندین نظریه، از جمله QCD شبکه با دمای بالا، مدل استاندارد تورم پورتال Axion Seesaw Higgs (SMASH) و شبکه های رشته اکسیون قرار دارد. . تا به حال، جستجوهای آزمایشگاهی موجود (به عنوان مثال، آزمایش‌های حفره‌ای مانند ADMX) و مشاهدات اخترفیزیکی (به عنوان مثال، SN1987A، کوتوله‌های سفید و خوشه‌های کروی) عمدتاً به دنبال اکسیون‌هایی با جرم خارج از این پنجره بودند (به استثنای آزمایش ORGAN در استرالیای غربی)» پنگ می گوید دنیای فیزیک. "نتیجه ما به فضای پارامتر اکسیون-پنجره می رسد و تکمیل کننده مطالعات اخترفیزیکی و آزمایشگاهی موجود در مورد توسعه های بالقوه مدل استاندارد است."

بهبود حساسیت تجربی

پنگ می‌گوید که این تکنیک ممکن است برای جستجوی طیف گسترده‌ای از ذرات فرضی فراتر از مدل استاندارد فیزیک ذرات، مانند بوزون‌های Z و فوتون‌های تاریک، گسترش یابد. پنگ می‌گوید: «برای مثال، با تکنیک خود، می‌توانیم طیف وسیعی از برهمکنش‌های عجیب و غریب با واسطه ذرات جدید، مانند برهم‌کنش‌های واسطه‌شده پارافوتون را جستجو کنیم، که حساسیت جستجوی مربوطه آن‌ها باید چندین مرتبه بهتر از محدودیت‌های موجود باشد. علاوه بر این، ما می‌توانیم مستقیماً ماده تاریک کهکشانی اکسیون مانند را جستجو کنیم که می‌تواند با نوکلئون جفت شود و حساسیتی را امکان‌پذیر می‌کند که با چندین مرتبه بزرگی و حتی فراتر از آنهایی که توسط مشاهدات اخترفیزیکی به دست می‌آید، از محدودیت‌های آزمایشگاهی قبلی فراتر رود.»

در این بین محققانی که جزئیات کار خود را در Physical Review Letters به، می گویند که آنها سعی خواهند کرد حساسیت تکنیک خود را به تعاملات عجیب و غریب بهبود بخشند. به عنوان مثال، استفاده از یک تقویت کننده بر اساس ³آنها می گویند که اسپین های الکترونی او یا منابع اسپین حالت جامد مانند کریستال های پنتاسن با پمپ نوری می توانند به دستیابی به این امر کمک کنند.