Herkkää uutta tapaa havaita hiukkasten vuorovaikutuksia laboratoriossa on käytetty ensimmäistä kertaa etsimään aksioneja, hypoteettista pimeän aineen muotoa. Kansainvälinen fyysikkoryhmä onnistui niin sanotun spin-pohjaisen vahvistimen avulla rajoittamaan aksionmassan ennustetun "aksioniikkunan" 0.01 meV:n sisällä 1 meV:iin, mikä ylitti kuilun aikaisempien laboratoriotutkimusten ja astrofysikaalisten havaintojen välillä.
Aksioneja oletettiin ensimmäisen kerran 1970-luvulla keinona selittää erinomainen fysiikan arvoitus, joka tunnetaan varauspariteettiongelmana. Teorian mukaan niitä olisi tuotettu runsaasti alkuräjähdyksen jälkeen, ja niiden pitäisi olla sekä varattomia että paljon vähemmän massaisia kuin elektronit, mikä tarkoittaa, että ne olisivat erittäin heikosti vuorovaikutuksessa aineen ja sähkömagneettisen säteilyn kanssa. Tämä tekee niistä suositun ehdokkaan pimeälle aineelle, salaperäiselle aineelle, joka näyttää muodostavan suurimman osan maailmankaikkeuden aineesta ja vaikuttaa suurten esineiden, kuten galaksien, gravitaatioominaisuuksiin.
Eksoottinen dipoli-dipoli vuorovaikutus
Uusi aksionien etsintämenetelmä hyödyntää lisäennustetta aksionien käyttäytymisestä: kun fermionit (hiukkaset, joilla on puolikokonaisluku spin) vaihtavat aksioneja, niiden pitäisi tuottaa eksoottinen dipoli-dipoli-vuorovaikutus, joka periaatteessa voitaisiin havaita laboratoriossa. Uusimmassa tutkimuksessa johtama tiimi Xinhua Peng että Kiinan tiede- ja teknologiayliopistoyhdessä johtamien tutkijoiden kanssa Dmitri Budker mistä Helmholtz-instituutti, Johannes Gutenbergin yliopisto, Mainz, Saksaja UC Berkeley Yhdysvalloissa, yhdisti suuren yhdistelmän polarisoitua rubidium-87 (87Rb) atomit (elektronispinien lähde) polarisoidun xeon-129:n kanssa (129Xe) ydin pyörii etsiäkseen todisteita tästä vuorovaikutuksesta.
Ydinspinnit toimivat vahvistimena heikoille pseudomagneettisille kentille, joita elektronit vaihtavat aksioneja, ja kokeet osoittivat, että tämä spin-pohjainen vahvistin voisi tehostaa ulkoisia magneettikenttiä yli 40-kertaisesti. haettu mittaamalla tämän kentän", Peng selittää. "Jotta haluat etsiä aksioneja, joiden massat ovat aksioni-ikkunassa 0.01 meV - 1 meV, säädämme etäisyyttä 129Xe-spin-pohjainen vahvistin ja Rb-spinlähde senttimetriasteikolla."
Tekniikka antoi tutkijoille mahdollisuuden rajoittaa aksionimassaa 0.03 meV:sta 1 meV:iin, mikä on useiden teorioiden ennustamalla alueella, mukaan lukien korkean lämpötilan hila QCD, Standard Model Axion Seesaw Higgs -portaalin inflaatiomalli (SMASH) ja aksionijonoverkot. . "Tähän asti olemassa olevilla laboratoriohauilla (esimerkiksi kaviteettikokeet, kuten ADMX) ja astrofysikaalisilla havainnoilla (esim. SN1987A, valkoiset kääpiöt ja pallomaiset klusterit) etsittiin enimmäkseen aksioneja, joiden massoja oli tämän ikkunan ulkopuolella (lukuun ottamatta ORGAN-koetta vuonna Länsi-Australia), Peng kertoo Fysiikan maailma. "Tuloksemme ulottuu aksioni-ikkuna-parametriavaruuteen ja täydentää olemassa olevia astrofysikaalisia ja laboratoriotutkimuksia mahdollisista standardimallin laajennuksista."
Kokeellisen herkkyyden parantaminen
Peng sanoo, että tekniikkaa voitaisiin laajentaa edelleen etsimään monia erilaisia hypoteettisia hiukkasia hiukkasfysiikan vakiomallin ulkopuolella, kuten Z'-bosoneja ja tummia fotoneja. "Tekniikkamme avulla voimme esimerkiksi etsiä laajaa valikoimaa eksoottisia vuorovaikutuksia, jotka välittävät uusia hiukkasia, kuten parafotonivälitteisiä vuorovaikutuksia, joiden vastaavan hakuherkkyyden pitäisi olla useita suuruusluokkaa parempi kuin olemassa olevat rajoitukset", Peng sanoo. "Lisäksi voimme suoraan etsiä aksionia muistuttavaa galaktista pimeää ainetta, joka voisi kytkeytyä nukleoniin, mikä mahdollistaa herkkyyden, joka ylittää aikaisemmat laboratoriorajat useilla suuruusluokilla ja jopa astrofysikaalisilla havainnoilla saatuja."
Puristettu valo tehostaa pimeän aineen aksioiden etsintää
Sillä välin tutkijat, jotka kertovat työstään yksityiskohtaisesti Fyysisen tarkastelun kirjaimet, sanovat yrittävänsä edelleen parantaa tekniikkansa herkkyyttä eksoottisille vuorovaikutuksille. Esimerkiksi käyttämällä vahvistinta, joka perustuu 3He sanovat, että elektronipyörät tai solid-state spin-lähteet, kuten optisesti pumpatut pentaseenikiteet, voivat auttaa saavuttamaan tämän.
