실험실에서 입자 상호 작용을 탐지하는 민감한 새로운 방법이 처음으로 암흑 물질의 가상 형태인 액시온을 검색하는 데 사용되었습니다. 국제 물리학자 팀은 소위 스핀 기반 증폭기를 사용하여 예측된 "액시온 창"인 0.01meV에서 1meV 내로 액시온 질량을 제한하는 데 성공하여 이전 실험실 검색과 천체 물리학 관측 간의 격차를 해소했습니다.
Axions는 전하 패리티 문제로 알려진 물리학의 뛰어난 퍼즐을 설명하는 방법으로 1970년대에 처음으로 가설을 세웠습니다. 이론에 따르면, 그들은 빅뱅 이후에 풍부하게 생성되었을 것이며, 전하가 없고 전자보다 질량이 훨씬 작아야 합니다. 즉, 물질 및 전자기 방사선과 매우 약하게 상호 작용할 것임을 의미합니다. 이로 인해 그들은 우주 물질의 대부분을 구성하고 은하와 같은 큰 물체의 중력 특성에 영향을 미치는 신비한 물질인 암흑 물질에 대한 인기 있는 후보가 되었습니다.
이국적인 쌍극자-쌍극자 상호작용
새로운 액시온 검색 방법은 액시온 거동에 대한 추가 예측을 활용합니다. 즉, 페르미온(반정수 스핀을 갖는 입자)이 액시온을 교환할 때 원칙적으로 실험실에서 감지할 수 있는 특이한 쌍극자-쌍극자 상호 작용을 생성해야 합니다. 최근 연구에서 다음과 같은 팀이 주도했습니다. 신화 펭 의 중국 과학기술대학교, 등이 이끄는 연구진과 함께 드미트리 버드커 인사말 독일 마인츠 요하네스 구텐베르크 대학교 헬름홀츠 연구소및 미국 UC버클리, 편광 루비듐 -87의 대규모 앙상블을 결합했습니다 (87Rb) 원자(전자 스핀의 소스)와 극성화된 제온-129(129Xe) 이러한 상호작용의 증거를 찾기 위해 핵 스핀을 사용합니다.
핵 스핀은 액시온을 교환하는 전자에 의해 생성될 수 있는 약한 유사 자기장을 위한 증폭기 역할을 하며 실험에 따르면 이 스핀 기반 증폭기는 외부 자기장을 40배 이상 향상시킬 수 있는 것으로 나타났습니다. 이 필드를 측정하여 검색했습니다.”라고 Peng은 설명합니다. “0.01meV ~ 1meV의 액시온 창 내에서 질량이 있는 액시온을 검색하기 위해 우리는 거리를 조정합니다. 129Xe 스핀 기반 증폭기와 Rb 스핀 소스를 센티미터 단위로 확장했습니다.”
이 기술을 통해 연구원들은 액시온 질량을 0.03meV에서 1meV로 제한할 수 있었으며, 이는 고온 격자 QCD, 표준 모델 Axion Seesaw Higgs 포털 인플레이션(SMASH) 모델 및 액시온 스트링 네트워크를 포함한 여러 이론에서 예측된 범위에 있습니다. . “지금까지 기존 실험실 검색(예: ADMX와 같은 공동 실험)과 천체물리학 관측(예: SN1987A, 백색왜성, 구상성단)에서는 이 창 밖에 질량이 있는 액시온을 주로 검색했습니다. 서호주)”라고 Peng은 말합니다. 물리 세계. "우리의 결과는 액시온 창 매개변수 공간에 도달하여 잠재적인 표준 모델 확장에 대한 기존 천체 물리학 및 실험실 연구를 보완합니다."
실험 감도 향상
Peng은 이 기술이 Z' 보존 및 암흑 광자와 같은 입자 물리학의 표준 모델을 넘어 다양한 가상 입자를 검색하기 위해 더욱 확장될 수 있다고 말했습니다. 예를 들어, 우리 기술을 사용하면 파라포톤 매개 상호작용과 같은 새로운 입자에 의해 매개되는 광범위한 이국적인 상호작용을 검색할 수 있으며, 해당 검색 민감도는 기존 제약 조건보다 훨씬 더 좋아야 합니다."라고 Peng은 말합니다. "또한 핵자와 결합할 수 있는 액시온과 같은 은하계 암흑 물질을 직접 검색할 수 있어 이전 실험실 한계를 몇 배나 더 뛰어넘고 심지어 천체물리학 관측으로 얻은 감도를 훨씬 뛰어넘는 민감도도 가능해졌습니다."
압착된 빛은 암흑 물질 액시온에 대한 검색을 향상시킵니다.
그동안 자신의 연구를 자세히 설명하는 연구원들은 피지컬 리뷰 레터스 (Physical Review Letters), 그들은 이국적인 상호 작용에 대한 기술의 민감도를 더욱 향상시키려고 노력할 것이라고 말합니다. 예를 들어, 다음을 기반으로 하는 증폭기를 사용합니다. 3전자 스핀이나 광학적으로 펌핑된 펜타센 결정과 같은 고체 스핀 소스가 이를 달성하는 데 도움이 될 수 있다고 그들은 말합니다.
