A részecskekölcsönhatások laboratóriumi kimutatásának érzékeny, új módszerét először alkalmazták axionok, a sötét anyag egy feltételezett formájának keresésére. Egy úgynevezett spin-alapú erősítő segítségével egy nemzetközi fizikuscsoportnak sikerült az előre jelzett 0.01 meV-os „tengelyablakon” belül 1 meV-ra korlátozni az axion tömegét, áthidalva ezzel a szakadékot a korábbi laboratóriumi kutatások és az asztrofizikai megfigyelések között.
Az axionokat először az 1970-es években feltételezték, hogy megmagyarázzák a töltés-paritás problémának nevezett kiemelkedő fizikális rejtvényt. Az elmélet szerint bőségesen keletkeztek volna az Ősrobbanás után, és töltés nélkülieknek és sokkal kisebb tömegűeknek kell lenniük, mint az elektronoknak, ami azt jelenti, hogy nagyon gyengén lépnek kölcsönhatásba az anyaggal és az elektromágneses sugárzással. Ez teszi őket a sötét anyag népszerű jelöltjévé, egy titokzatos anyaggá, amely úgy tűnik, hogy a világegyetem anyagának nagy részét alkotja, és befolyásolja a nagy objektumok, például a galaxisok gravitációs tulajdonságait.
Egzotikus dipól-dipól kölcsönhatás
Az új axionkeresési módszer az axion viselkedésére vonatkozó további előrejelzést használja ki: amikor a fermionok (fél-egész spinű részecskék) axionokat cserélnek, egzotikus dipól-dipól kölcsönhatást kell létrehozniuk, amely elvileg laboratóriumban kimutatható. A legfrissebb tanulmányban egy csapat vezette Xinhua Peng az Kínai Tudományos és Technológiai Egyetemáltal vezetett kutatókkal együtt Dmitrij Budker tól Helmholtz Intézet, Johannes Gutenberg Egyetem, Mainz, Németországés UC Berkeley az Egyesült Államokban, egy nagy polarizált rubídium-87 együttest kombinált (87Rb) atomok (az elektron spinek forrása) polarizált xeon-129-cel (129Xe) az atommag forog, hogy bizonyítékot keressen erre a kölcsönhatásra.
A nukleáris spinek erősítőként működnek a gyenge pszeudomágneses mezőknél, amelyeket az axionokat cserélő elektronok generálhatnak, és a kísérletek azt mutatták, hogy ez a spin-alapú erősítő több mint 40-szeresére növeli a külső mágneses tereket. ennek a mezőnek a mérésén keresztül keresett” – magyarázza Peng. „A 0.01 meV és 1 meV közötti tengelyablakon belüli tömegű tengelyek kereséséhez beállítjuk a távolságot a 129Xe spin-alapú erősítő és az Rb spin forrás centiméteres skálán.”
A technika lehetővé tette a kutatók számára, hogy az axion tömegét 0.03 meV-ról 1 meV-ra korlátozzák, ami több elmélet által megjósolt tartományba esik, ideértve a magas hőmérsékletű QCD-rácsot, a Standard Model Axion Seesaw Higgs portálinflációs (SMASH) modellt és az axion húrhálózatokat. . „Eddig a meglévő laboratóriumi kutatások (például üregkísérletek, mint az ADMX) és asztrofizikai megfigyelések (például SN1987A, fehér törpék és gömbhalmazok) többnyire az ablakon kívüli tömegű axionokat keresték (kivéve az ORGAN kísérletet Nyugat-Ausztrália)” – meséli Peng Fizika Világa. "Eredményünk eléri az axion-ablak paraméterterét, kiegészítve a meglévő asztrofizikai és laboratóriumi vizsgálatokat a lehetséges szabványmodell-bővítésekről."
A kísérleti érzékenység javítása
Peng szerint a technikát tovább lehetne terjeszteni a részecskefizikai standard modellen túlmenően számos hipotetikus részecskére, például Z-bozonokra és sötét fotonokra. „A mi technikánkkal például az új részecskék által közvetített egzotikus kölcsönhatások széles skáláját kereshetjük, mint például a parafotonok által közvetített kölcsönhatásokat, amelyek megfelelő keresési érzékenységének sok nagyságrenddel jobbnak kell lennie, mint a meglévő korlátok” – mondja Peng. "Emellett közvetlenül is kereshetünk olyan axionszerű galaktikus sötét anyagot, amely párosulhatna a nukleonnal, lehetővé téve a korábbi laboratóriumi határértékeket több nagyságrenddel, sőt az asztrofizikai megfigyelésekkel kapott értékeket is meghaladó érzékenységet."
Az összenyomott fény felgyorsítja a sötét anyag tengelyeinek keresését
Eközben a kutatók, akik részletezik munkájukat Fizikai áttekintés betűk, azt mondják, hogy megpróbálják tovább javítani technikájuk érzékenységét az egzotikus interakciókra. Például egy erősítő használata alapján 3Az elektron spinek vagy a szilárdtest spin források, például az optikailag pumpált pentacén kristályok segíthetnek elérni ezt, mondják.
