Un nuovo modo sensibile per rilevare le interazioni delle particelle in laboratorio è stato utilizzato per la prima volta per cercare assioni, un'ipotetica forma di materia oscura. Utilizzando un cosiddetto amplificatore basato sullo spin, un team internazionale di fisici è riuscito a vincolare la massa dell’assione entro la “finestra assionica” prevista compresa tra 0.01 meV e 1 meV, colmando così il divario tra le precedenti ricerche di laboratorio e le osservazioni astrofisiche.
Gli assioni furono ipotizzati per la prima volta negli anni '1970 come un modo per spiegare un enigma eccezionale in fisica noto come problema della parità di carica. Secondo la teoria, essi sarebbero stati prodotti in abbondanza dopo il Big Bang, e dovrebbero essere privi di carica e molto meno massicci degli elettroni, il che significa che interagirebbero molto debolmente con la materia e la radiazione elettromagnetica. Ciò li rende un candidato popolare per la materia oscura, una sostanza misteriosa che sembra costituire la maggior parte della materia dell’universo e influenza le proprietà gravitazionali di grandi oggetti come le galassie.
Interazione esotica dipolo-dipolo
Il nuovo metodo di ricerca degli assioni si avvale di un’ulteriore previsione sul comportamento degli assioni: quando i fermioni (particelle con spin semiintero) si scambiano assioni, dovrebbero produrre un’interazione esotica dipolo-dipolo che, in linea di principio, potrebbe essere rilevata in laboratorio. Nell'ultimo studio, un team guidato da Xinhua Peng della Università della Scienza e della Tecnologia della Cina, insieme ai ricercatori guidati da Dmitrij Budker dal Istituto Helmholtz, Università Johannes Gutenberg, Magonza, Germaniae UC Berkeley negli Stati Uniti, combinava un ampio insieme di rubidio-87 polarizzato (87Rb) atomi (una fonte di spin elettronici) con xeon-129 polarizzato (129Xe) spin nucleari per cercare prove di questa interazione.
Gli spin nucleari agiscono come un amplificatore per deboli campi pseudomagnetici che potrebbero essere generati dallo scambio di elettroni di assioni, e gli esperimenti hanno dimostrato che questo amplificatore basato sullo spin potrebbe aumentare i campi magnetici esterni di un fattore superiore a 40. cercato attraverso la misurazione di questo campo”, spiega Peng. "Per cercare assioni con masse all'interno della finestra assionica compresa tra 0.01 meV e 1 meV, regoliamo la distanza 129Amplificatore basato sullo spin Xe e sorgente di spin Rb su scala centimetrica.
La tecnica ha permesso ai ricercatori di limitare la massa dell'assione da 0.03 meV a 1 meV, che rientra nell'intervallo previsto da diverse teorie, tra cui la QCD reticolare ad alta temperatura, il modello standard Axion Seesaw Higgs Portal Inflation (SMASH) e le reti di stringhe di assioni. . “Fino ad ora, le ricerche di laboratorio esistenti (ad esempio, esperimenti sulle cavità come ADMX) e le osservazioni astrofisiche (ad esempio, SN1987A, nane bianche e ammassi globulari) cercavano principalmente assioni con masse al di fuori di questa finestra (con l’eccezione dell’esperimento ORGAN in Australia occidentale)”, racconta Peng Mondo della fisica. «Il nostro risultato raggiunge lo spazio dei parametri della finestra degli assioni, integrando gli studi astrofisici e di laboratorio esistenti su potenziali estensioni del Modello Standard».
Migliorare la sensibilità sperimentale
Peng afferma che la tecnica potrebbe essere ulteriormente estesa per cercare un'ampia varietà di ipotetiche particelle oltre il modello standard della fisica delle particelle, come i bosoni Z' e i fotoni oscuri. “Con la nostra tecnica, ad esempio, possiamo cercare un’ampia gamma di interazioni esotiche mediate da nuove particelle, come le interazioni mediate da parafotoni, la cui corrispondente sensibilità di ricerca dovrebbe essere di molti ordini di grandezza migliore rispetto ai vincoli esistenti”, afferma Peng. “Inoltre, possiamo cercare direttamente la materia oscura galattica simile ad un assione che potrebbe accoppiarsi con il nucleone, consentendo una sensibilità che supera i precedenti limiti di laboratorio di diversi ordini di grandezza e anche oltre quelli ottenuti dalle osservazioni astrofisiche”.
La luce schiacciata aumenta la ricerca di assioni di materia oscura
Nel frattempo i ricercatori, che illustrano nel dettaglio il loro lavoro Physical Review Letters, dicono che cercheranno di migliorare ulteriormente la sensibilità della loro tecnica alle interazioni esotiche. Ad esempio, utilizzando un amplificatore basato su 3Gli spin degli elettroni o le fonti di spin allo stato solido come i cristalli di pentacene pompati otticamente potrebbero aiutare a raggiungere questo obiettivo, dicono.
