Cara baru yang sensitif untuk mendeteksi interaksi partikel di laboratorium telah digunakan untuk pertama kalinya untuk mencari axion, suatu bentuk hipotetis dari materi gelap. Menggunakan apa yang disebut penguat berbasis spin, tim fisikawan internasional berhasil membatasi massa axion dalam "jendela axion" yang diprediksi dari 0.01 meV hingga 1 meV, sehingga menjembatani kesenjangan antara pencarian laboratorium sebelumnya dan pengamatan astrofisika.
Axion pertama kali dihipotesiskan pada 1970-an sebagai cara untuk menjelaskan teka-teki luar biasa dalam fisika yang dikenal sebagai masalah paritas muatan. Menurut teori, mereka akan diproduksi secara melimpah setelah Big Bang, dan seharusnya tidak bermuatan dan jauh lebih kecil daripada elektron, yang berarti bahwa mereka akan berinteraksi sangat lemah dengan materi dan radiasi elektromagnetik. Hal ini membuat mereka menjadi kandidat populer untuk materi gelap, zat misterius yang tampaknya menyusun sebagian besar materi alam semesta dan memengaruhi sifat gravitasi objek besar seperti galaksi.
Interaksi dipol-dipol yang eksotis
Metode pencarian axion baru mengambil keuntungan dari prediksi lebih lanjut tentang perilaku axion: ketika fermion (partikel dengan putaran setengah bilangan bulat) bertukar axion, mereka harus menghasilkan interaksi dipol-dipol eksotis yang pada prinsipnya dapat dideteksi di laboratorium. Dalam studi terbaru, tim yang dipimpin oleh Xinhua Peng dari Universitas Sains dan Teknologi Tiongkok, bersama dengan peneliti yang dipimpin oleh Dmitry Budker dari Institut Helmholtz, Universitas Johannes Gutenberg, Mainz, Jerman, dan UC Berkeley di AS, menggabungkan ansambel besar rubidium-87 terpolarisasi (87Rb) atom (sumber spin elektron) dengan xeon-129 terpolarisasi (129Xe) putaran nuklir untuk mencari bukti interaksi ini.
Putaran nuklir bertindak sebagai penguat untuk medan magnet semu yang lemah yang dapat dihasilkan oleh elektron yang bertukar axion, dan eksperimen menunjukkan bahwa penguat berbasis putaran ini dapat meningkatkan medan magnet eksternal dengan faktor lebih dari 40. mencari melalui pengukuran bidang ini, ”jelas Peng. “Untuk mencari axion dengan massa di dalam axion window 0.01 meV hingga 1 meV, kami menyesuaikan jarak 129Penguat berbasis putaran Xe dan sumber putaran Rb ke skala sentimeter.”
Teknik ini memungkinkan para peneliti untuk membatasi massa axion dari 0.03 meV menjadi 1 meV, yang terletak pada kisaran yang diprediksi oleh beberapa teori, termasuk QCD kisi suhu tinggi, model Standard Model Axion Seesaw Higgs portal inflasi (SMASH) dan jaringan string axion. . “Hingga saat ini, penelusuran laboratorium yang ada (misalnya, eksperimen rongga seperti ADMX) dan pengamatan astrofisika (misalnya, SN1987A, katai putih, dan Gugus Globular) sebagian besar mencari axion dengan massa di luar jendela ini (dengan pengecualian eksperimen ORGAN di Australia Barat),” kata Peng Dunia Fisika. “Hasil kami mencapai ruang parameter axion-window, melengkapi studi astrofisika dan laboratorium yang ada tentang potensi ekstensi Model Standar.”
Meningkatkan sensitivitas eksperimental
Peng mengatakan teknik ini mungkin lebih diperluas untuk mencari berbagai macam partikel hipotetis di luar Model Standar fisika partikel, seperti boson Z dan foton gelap. “Dengan teknik kami, misalnya, kami dapat mencari berbagai interaksi eksotis yang dimediasi oleh partikel baru, seperti interaksi yang dimediasi parafoton, yang sensitivitas pencariannya harus lebih baik daripada batasan yang ada,” kata Peng. “Selain itu, kami dapat langsung mencari materi gelap galaksi seperti axion yang dapat berpasangan dengan nukleon, memungkinkan sensitivitas yang melampaui batas laboratorium sebelumnya dengan beberapa kali lipat dan bahkan melampaui yang diperoleh dengan pengamatan astrofisika.”
Cahaya yang diperas meningkatkan pencarian axion materi gelap
Sementara itu, para peneliti, yang merinci pekerjaan mereka di Physical Review Letters, mengatakan mereka akan mencoba untuk lebih meningkatkan sensitivitas teknik mereka terhadap interaksi eksotis. Misalnya, menggunakan penguat berdasarkan 3Spin elektron atau sumber spin solid-state seperti kristal pentacene yang dipompa secara optik dapat membantu mencapai hal ini, kata mereka.
