Een gevoelige nieuwe manier om deeltjesinteracties in het laboratorium te detecteren, is voor het eerst gebruikt om te zoeken naar axionen, een hypothetische vorm van donkere materie. Met behulp van een zogenaamde spin-gebaseerde versterker slaagde een internationaal team van natuurkundigen erin de axionmassa binnen het voorspelde "axionvenster" van 0.01 meV tot 1 meV te beperken, waardoor de kloof tussen eerdere laboratoriumonderzoeken en astrofysische waarnemingen werd overbrugd.
Axions werden voor het eerst verondersteld in de jaren zeventig als een manier om een uitstekende puzzel in de natuurkunde te verklaren, bekend als het ladingspariteitsprobleem. Volgens de theorie zouden ze overvloedig zijn geproduceerd na de oerknal, en zouden ze zowel ladingloos als veel minder massief moeten zijn dan elektronen, wat betekent dat ze zeer zwak zouden interageren met materie en elektromagnetische straling. Dit maakt ze een populaire kandidaat voor donkere materie, een mysterieuze substantie die het grootste deel van de materie in het universum lijkt te vormen en de zwaartekrachtseigenschappen van grote objecten zoals sterrenstelsels beïnvloedt.
Exotische dipool-dipool interactie
De nieuwe axion-zoekmethode maakt gebruik van een verdere voorspelling over axiongedrag: wanneer fermionen (deeltjes met halfgehele spin) axionen uitwisselen, zouden ze een exotische dipool-dipool-interactie moeten produceren die in principe in het laboratorium zou kunnen worden gedetecteerd. In de laatste studie heeft een team onder leiding van Xinhua Peng van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China, samen met onderzoekers onder leiding van Dmitry Budker van het Helmholtz Instituut, Johannes Gutenberg Universiteit, Mainz, Duitsland en UC Berkeley in de VS, combineerde een groot ensemble van gepolariseerd rubidium-87 (87Rb) atomen (een bron van elektronenspins) met gepolariseerd xeon-129 (129Xe) kernspins om te zoeken naar bewijs van deze interactie.
De kernspins werken als een versterker voor zwakke pseudo-magnetische velden die kunnen worden gegenereerd door elektronen die axionen uitwisselen, en experimenten toonden aan dat deze op spin gebaseerde versterker externe magnetische velden met een factor van meer dan 40 zou kunnen versterken. "De axionen zouden dan kunnen worden doorzocht door dit veld te meten”, legt Peng uit. "Om te zoeken naar axionen met massa's binnen het axionvenster van 0.01 meV tot 1 meV, passen we de afstand aan die de 129Xe-spingebaseerde versterker en de Rb-spinbron tot op de centimeterschaal.”
De techniek stelde de onderzoekers in staat om de axionmassa te beperken van 0.03 meV tot 1 meV, wat binnen het bereik ligt dat wordt voorspeld door verschillende theorieën, waaronder QCD op hoge temperatuur, het standaardmodel Axion Seesaw Higgs-portaalinflatie (SMASH) -model en axion-stringnetwerken . “Tot nu toe zochten bestaande laboratoriumonderzoeken (bijvoorbeeld holte-experimenten zoals ADMX) en astrofysische waarnemingen (bijvoorbeeld SN1987A, witte dwergen en bolvormige clusters) meestal naar axionen met massa's buiten dit venster (met uitzondering van het ORGAN-experiment in West-Australië),” vertelt Peng Natuurkunde wereld. "Ons resultaat reikt tot in de axion-vensterparameterruimte en vormt een aanvulling op bestaande astrofysische en laboratoriumonderzoeken naar mogelijke standaardmodeluitbreidingen."
Experimentele gevoeligheid verbeteren
Peng zegt dat de techniek verder kan worden uitgebreid om te zoeken naar een grote verscheidenheid aan hypothetische deeltjes buiten het standaardmodel van de deeltjesfysica, zoals Z'-bosonen en donkere fotonen. "Met onze techniek kunnen we bijvoorbeeld zoeken naar een breed scala aan exotische interacties die worden gemedieerd door nieuwe deeltjes, zoals parafoton-gemedieerde interacties, waarvan de bijbehorende zoekgevoeligheid vele ordes van grootte beter zou moeten zijn dan de bestaande beperkingen", zegt Peng. "Bovendien kunnen we direct zoeken naar axion-achtige galactische donkere materie die zou kunnen koppelen met het nucleon, waardoor een gevoeligheid mogelijk wordt die eerdere laboratoriumlimieten met verschillende orden van grootte overtreft en zelfs verder gaat dan die verkregen door astrofysische waarnemingen."
Geknepen licht stimuleert de zoektocht naar donkere materie axions
In de tussentijd hebben de onderzoekers, die hun werk in detail beschrijven, Physical Review Letters, zeggen dat ze zullen proberen de gevoeligheid van hun techniek voor exotische interacties verder te verbeteren. Als u bijvoorbeeld een versterker gebruikt die is gebaseerd op 3De elektronenspins of vaste-stof-spinbronnen zoals optisch gepompte pentaceenkristallen zouden dit kunnen helpen bereiken, zeggen ze.
