実験室で粒子の相互作用を検出する高感度の新しい方法が、暗黒物質の仮説上の形態であるアクシオンを検索するために初めて使用されました。 物理学者の国際チームは、いわゆるスピンベースの増幅器を使用して、アクシオンの質量を 0.01 meV から 1 meV の予測された「アクシオン ウィンドウ」内に抑えることに成功し、以前の実験室での調査と天体物理学的観測の間のギャップを埋めました。
アクシオンは、1970 年代に、電荷パリティ問題として知られる物理学の傑出したパズルを説明する方法として、最初に仮説が立てられました。 理論によれば、それらはビッグバンの後に大量に生成され、電荷を持たず、電子よりもはるかに質量が小さいはずです。つまり、物質や電磁放射との相互作用が非常に弱いということです。 これは、宇宙のほとんどの物質を構成し、銀河などの大きな物体の重力特性に影響を与えると思われる謎の物質であるダークマターの人気のある候補です.
エキゾチック双極子相互作用
新しいアクシオン探索法は、アクシオンの挙動に関するさらなる予測を利用しています。フェルミオン (半整数スピンを持つ粒子) がアクシオンを交換すると、原理的には実験室で検出できるエキゾチックな双極子間相互作用が生成されるはずです。 最新の研究では、 新華鵬 中国科学技術大学、 が率いる研究者とともに ドミトリー・バドカー ヘルムホルツ研究所、ヨハネス グーテンベルク大学、マインツ、ドイツ, アメリカのUCバークレー校、偏光ルビジウム-87の大きなアンサンブルを組み合わせた（87Rb) 原子 (電子スピンの源) と偏極した xeon-129 (129Xe) この相互作用の証拠を探すための核スピン。
核スピンは、アクシオンを交換する電子によって生成される可能性のある弱い疑似磁場の増幅器として機能し、実験では、このスピンベースの増幅器が外部磁場を 40 倍以上増強できることが示されました。このフィールドを測定することで検索しました」と Peng は説明します。 「0.01 meV から 1 meV のアクシオン ウィンドウ内の質量を持つアクシオンを検索するには、距離を調整します。 129Xe スピンベースの増幅器と Rb スピン源をセンチメートル スケールまで。」
この技術により、研究者はアクシオンの質量を 0.03 meV から 1 meV に制限することができました。これは、高温格子 QCD、標準モデルのアクシオン シーソー ヒッグス ポータル インフレーション (SMASH) モデル、アクシオン ストリング ネットワークなど、いくつかの理論で予測された範囲内にあります。 . 「これまで、既存の実験室での検索 (ADMX などの空洞実験など) や天体物理学的観測 (SN1987A、白色矮星、球状星団など) では、ほとんどの場合、質量がこの窓の外にあるアクシオンが検索されていました (西オーストラリア州)」と Peng 氏は語っています。 物理学の世界. 「私たちの結果はアクシオン ウィンドウ パラメーター空間に到達し、潜在的な標準モデルの拡張に関する既存の天体物理学および実験室の研究を補完します。」
実験感度の向上
Peng は、この手法をさらに拡張して、Z' ボソンや暗光子など、素粒子物理学の標準モデルを超えたさまざまな仮想粒子を検索できる可能性があると述べています。 「たとえば、私たちの技術を使用すると、パラフォトン媒介相互作用など、新しい粒子によって媒介される幅広いエキゾチックな相互作用を検索できます。対応する検索感度は、既存の制約よりも何桁も優れているはずです」と Peng は言います。 「さらに、核子と結合する可能性のあるアクシオンのような銀河の暗黒物質を直接検索できるため、以前の実験室の限界を数桁超え、さらには天体物理学的観測によって得られたものを超える感度が可能になります。」
絞られた光は暗黒物質アクシオンの検索を後押しします
その間、彼らの研究を詳述している研究者は、 Physical Review Lettersに、彼らはエキゾチックな相互作用に対する彼らの技術の感度をさらに改善しようとすると言います. たとえば、ベースのアンプを使用する 3He 電子スピンまたは光学的に励起されたペンタセン結晶などの固体スピン源は、これを達成するのに役立つ可能性があると彼らは言います。
