דרך חדשה ורגישה לזיהוי אינטראקציות בין חלקיקים במעבדה שימשה לראשונה לחיפוש אחר אקסונים, צורה היפותטית של חומר אפל. באמצעות מה שנקרא מגבר מבוסס ספין, צוות בינלאומי של פיזיקאים הצליח להגביל את מסת האקסיון בתוך "חלון האקסיון" החזוי של 0.01 meV עד 1 meV, ובכך לגשר על הפער בין חיפושי מעבדה קודמים לתצפיות אסטרופיזיות.
השערה של אקסיון הייתה לראשונה בשנות ה-1970 של המאה ה-XNUMX כדרך להסביר חידה יוצאת דופן בפיזיקה המכונה בעיית שווי המטען. לפי התיאוריה, הם היו מיוצרים בשפע לאחר המפץ הגדול, וצריכים להיות גם חסרי מטען וגם הרבה פחות מאסיביים מאלקטרונים, כלומר הם היו מקיימים אינטראקציה חלשה מאוד עם חומר וקרינה אלקטרומגנטית. זה הופך אותם למועמדים פופולריים לחומר אפל, חומר מסתורי שנראה שמרכיב את רוב החומר ביקום ומשפיע על תכונות הכבידה של עצמים גדולים כמו גלקסיות.
אינטראקציה דיפול-דיפול אקזוטי
שיטת חיפוש האקסיון החדשה מנצלת חיזוי נוסף לגבי התנהגות האקסיון: כאשר פרמיונים (חלקיקים עם ספין של חצי מספר שלם) מחליפים אקסונים, הם צריכים לייצר אינטראקציה אקזוטית דיפול-דיפול שניתן, עקרונית, להיות מזוהה במעבדה. במחקר האחרון, צוות בראשות שינחואה פנג של האוניברסיטה למדע וטכנולוגיה של סין, יחד עם חוקרים בראשות דמיטרי בודקר מ מכון הלמהולץ, אוניברסיטת יוהנס גוטנברג, מיינץ, גרמניה, ו UC ברקלי בארה"ב, שילב אנסמבל גדול של רובידיום-87 מקוטב (87Rb) אטומים (מקור לספינים של אלקטרונים) עם xeon-129 מקוטב (129Xe) ספינים גרעיניים כדי לחפש עדויות לאינטראקציה זו.
הספינים הגרעיניים פועלים כמגבר לשדות פסאודו-מגנטיים חלשים שיכולים להיווצר על ידי אלקטרונים המחליפים צירים, וניסויים הראו כי מגבר מבוסס ספין זה יכול לשפר שדות מגנטיים חיצוניים בשיעור של יותר מ-40. חיפשו דרך מדידת השדה הזה", מסביר פנג. "כדי לחפש אקסיות עם מסות בתוך חלון האקסיון של 0.01 meV עד 1 meV, אנו מתאימים את המרחק של 129מגבר מבוסס ספין Xe ומקור הספין Rb לסולם הסנטימטרים".
הטכניקה אפשרה לחוקרים להגביל את מסת האקסיון מ-0.03 meV ל-1 meV, שנמצא בטווח שנחזה על ידי מספר תיאוריות, כולל סריג QCD בטמפרטורה גבוהה, מודל ה-Standard Model Axion Seesaw Higgs Portal Inflation (SMASH) ורשתות מיתרי אקסיון. . "עד עכשיו, חיפושי מעבדה קיימים (לדוגמה, ניסויי חלל כמו ADMX) ותצפיות אסטרופיזיקליות (לדוגמה, SN1987A, ננסים לבנים וצבירים כדוריים) חיפשו בעיקר צירים עם מסות מחוץ לחלון זה (למעט ניסוי ORGAN ב- מערב אוסטרליה)", מספר פנג עולם הפיזיקה. "התוצאה שלנו מגיעה למרחב הפרמטרים של חלון האקסיון, משלימה מחקרים אסטרופיזיקליים ומעבדתיים קיימים על הרחבות פוטנציאליות של מודל סטנדרטי."
שיפור הרגישות הניסיונית
פנג אומר שהטכניקה עשויה להתרחב עוד יותר לחיפוש אחר מגוון רחב של חלקיקים היפותטיים מעבר למודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, כגון בוזונים של Z' ופוטונים כהים. "באמצעות הטכניקה שלנו, למשל, אנחנו יכולים לחפש מגוון רחב של אינטראקציות אקזוטיות המתווך על ידי חלקיקים חדשים, כמו אינטראקציות בתיווך פרפוטונים, שרגישות החיפוש המתאימה שלהן צריכה להיות בסדרי גודל רבים יותר מאשר אילוצים קיימים", אומר פנג. "בנוסף, אנו יכולים לחפש ישירות חומר אפל גלקטי דמוי אקסיון שיכול להתחבר לגרעין, מה שמאפשר רגישות שעולה על גבולות מעבדה קודמים במספר סדרי גודל ואפילו מעבר לאלו שהושגו בתצפיות אסטרופיזיות."
אור סחוט מגביר את החיפוש אחר צירי חומר אפל
בינתיים, החוקרים, המפרטים את עבודתם מכתבי סקירה פיזית, אומרים שהם ינסו לשפר עוד יותר את הרגישות של הטכניקה שלהם לאינטראקציות אקזוטיות. לדוגמה, שימוש במגבר המבוסס על 3ספינינג אלקטרונים או מקורות ספין במצב מוצק כמו גבישי פנטאצן הנשאבים אופטית יכולים לעזור להשיג זאת, הם אומרים.
