L'amplificateur basé sur le spin recherche les axions

Une nouvelle façon sensible de détecter les interactions de particules en laboratoire a été utilisée pour la première fois pour rechercher des axions, une forme hypothétique de matière noire. À l'aide d'un amplificateur dit basé sur le spin, une équipe internationale de physiciens a réussi à limiter la masse de l'axion dans la "fenêtre d'axion" prédite de 0.01 meV à 1 meV, comblant ainsi l'écart entre les recherches précédentes en laboratoire et les observations astrophysiques.

Les axions ont été émis pour la première fois dans les années 1970 comme un moyen d'expliquer un casse-tête exceptionnel en physique connu sous le nom de problème de charge-parité. Selon la théorie, ils auraient été produits en abondance après le Big Bang, et devraient être à la fois sans charge et beaucoup moins massifs que les électrons, ce qui signifie qu'ils n'interagiraient que très faiblement avec la matière et le rayonnement électromagnétique. Cela en fait un candidat populaire pour la matière noire, une substance mystérieuse qui semble constituer la majeure partie de la matière de l'univers et affecte les propriétés gravitationnelles des grands objets tels que les galaxies.

Interaction dipôle-dipôle exotique

La nouvelle méthode de recherche d'axions tire parti d'une prédiction supplémentaire sur le comportement des axions : lorsque des fermions (particules à spin demi-entier) échangent des axions, ils devraient produire une interaction dipôle-dipôle exotique qui pourrait, en principe, être détectée en laboratoire. Dans la dernière étude, une équipe dirigée par Xinhua Peng des Université des sciences et technologies de Chine, en collaboration avec des chercheurs dirigés par Dmitri Budker du Institut Helmholtz, Université Johannes Gutenberg, Mayence, Allemagneet UC Berkeley aux États-Unis, a combiné un grand ensemble de rubidium-87 polarisé (⁸⁷Rb) atomes (une source de spins électroniques) avec du xeon-129 polarisé (¹²⁹Xe) spins nucléaires pour rechercher des preuves de cette interaction.

Les spins nucléaires agissent comme un amplificateur pour les champs pseudo-magnétiques faibles qui pourraient être générés par des électrons échangeant des axions, et des expériences ont montré que cet amplificateur basé sur le spin pouvait augmenter les champs magnétiques externes d'un facteur supérieur à 40. "Les axions pourraient alors être recherché en mesurant ce champ », explique Peng. "Pour rechercher des axions avec des masses dans la fenêtre d'axions de 0.01 meV à 1 meV, nous ajustons la distance ¹²⁹Amplificateur basé sur le spin Xe et la source de spin Rb à l'échelle centimétrique.

La technique a permis aux chercheurs de contraindre la masse de l'axion de 0.03 meV à 1 meV, ce qui se situe dans la plage prédite par plusieurs théories, y compris le réseau QCD à haute température, le modèle standard d'inflation du portail Axion Seesaw Higgs (SMASH) et les réseaux de chaînes d'axions. . "Jusqu'à présent, les recherches de laboratoire existantes (par exemple, les expériences de cavité comme ADMX) et les observations astrophysiques (par exemple, SN1987A, les naines blanches et les amas globulaires) recherchaient principalement des axions avec des masses en dehors de cette fenêtre (à l'exception de l'expérience ORGAN en Australie-Occidentale) », raconte Peng Monde de la physique. "Notre résultat atteint l'espace des paramètres de la fenêtre axionique, complétant les études astrophysiques et de laboratoire existantes sur les extensions potentielles du modèle standard."

Améliorer la sensibilité expérimentale

Peng dit que la technique pourrait être encore étendue pour rechercher une grande variété de particules hypothétiques au-delà du modèle standard de la physique des particules, telles que les bosons Z' et les photons noirs. "Avec notre technique, par exemple, nous pouvons rechercher une large gamme d'interactions exotiques médiées par de nouvelles particules, telles que les interactions médiées par les paraphotons, dont la sensibilité de recherche correspondante devrait être supérieure de plusieurs ordres de grandeur aux contraintes existantes", explique Peng. "De plus, nous pouvons directement rechercher de la matière noire galactique de type axion qui pourrait se coupler avec le nucléon, permettant une sensibilité qui dépasse les limites de laboratoire précédentes de plusieurs ordres de grandeur et même au-delà de celles obtenues par les observations astrophysiques."

En attendant, les chercheurs, qui détaillent leurs travaux dans Physical Review Letters, disent qu'ils essaieront d'améliorer encore la sensibilité de leur technique aux interactions exotiques. Par exemple, en utilisant un amplificateur basé sur ³Les spins d'électrons ou les sources de spin à l'état solide telles que les cristaux de pentacène pompés optiquement pourraient aider à atteindre cet objectif, disent-ils.