En sensitiv ny måte å oppdage partikkelinteraksjoner i laboratoriet har blitt brukt for første gang for å søke etter aksioner, en hypotetisk form for mørk materie. Ved å bruke en såkalt spinnbasert forsterker, lyktes et internasjonalt team av fysikere i å begrense aksionsmassen innenfor det forutsagte "aksionsvinduet" på 0.01 meV til 1 meV, og dermed bygge bro mellom tidligere laboratoriesøk og astrofysiske observasjoner.
Axions ble først antatt på 1970-tallet som en måte å forklare et enestående puslespill i fysikk kjent som ladningsparitetsproblemet. I følge teorien ville de blitt produsert rikelig etter Big Bang, og skulle være både ladningsfrie og mye mindre massive enn elektroner, noe som betyr at de ville samhandle veldig svakt med materie og elektromagnetisk stråling. Dette gjør dem til en populær kandidat for mørk materie, et mystisk stoff som ser ut til å utgjøre mesteparten av materien i universet og påvirker gravitasjonsegenskapene til store objekter som galakser.
Eksotisk dipol-dipol interaksjon
Den nye aksionssøkemetoden utnytter en ytterligere prediksjon om aksionsadferd: når fermioner (partikler med halvt heltallsspinn) utveksler aksioner, bør de produsere en eksotisk dipol-dipol-interaksjon som i prinsippet kan oppdages i laboratoriet. I den siste studien har et team ledet av Xinhua Peng av Universitetet for vitenskap og teknologi i Kina, sammen med forskere ledet av Dmitry Budker fra Helmholtz-instituttet, Johannes Gutenberg-universitetet, Mainz, Tysklandog UC Berkeley i USA, kombinerte et stort ensemble av polarisert rubidium-87 (87Rb) atomer (en kilde til elektronspinn) med polarisert xeon-129 (129Xe) kjernefysiske spinn for å se etter bevis på denne interaksjonen.
Kjernespinnene fungerer som en forsterker for svake pseudomagnetiske felt som kan genereres av elektroner som utveksler aksioner, og eksperimenter viste at denne spinnbaserte forsterkeren kunne forsterke eksterne magnetiske felt med en faktor på mer enn 40. "Aksjonene kunne da være søkte gjennom å måle dette feltet, forklarer Peng. "For å søke etter aksioner med masser innenfor aksionsvinduet på 0.01 meV til 1 meV, justerer vi avstanden til 129Xe-spinnbasert forsterker og Rb-spinnkilden til centimeterskalaen."
Teknikken gjorde det mulig for forskerne å begrense aksionmassen fra 0.03 meV til 1 meV, som ligger i området forutsagt av flere teorier, inkludert høytemperaturgitter QCD, Standard Model Axion Seesaw Higgs portalinflasjonsmodell (SMASH) og aksionsstrengnettverk. . "Til nå har eksisterende laboratoriesøk (for eksempel hulromseksperimenter som ADMX) og astrofysiske observasjoner (for eksempel SN1987A, hvite dverger og kulehoper) stort sett søkt etter aksioner med masser utenfor dette vinduet (med unntak av ORGAN-eksperimentet i Western Australia), forteller Peng Fysikkens verden. "Resultatet vårt når inn i aksion-vinduets parameterrom, og komplementerer eksisterende astrofysiske studier og laboratoriestudier på potensielle standardmodellutvidelser."
Forbedring av eksperimentell følsomhet
Peng sier at teknikken kan utvides ytterligere til å søke etter et bredt utvalg av hypotetiske partikler utover standardmodellen for partikkelfysikk, som Z'-bosoner og mørke fotoner. "Med vår teknikk kan vi for eksempel søke etter et bredt spekter av eksotiske interaksjoner mediert av nye partikler, for eksempel parafoton-mediert interaksjon, hvis tilsvarende søkefølsomhet bør være mange størrelsesordener bedre enn eksisterende begrensninger," sier Peng. "I tillegg kan vi direkte søke etter aksion-lignende galaktisk mørk materie som kan kobles med nukleonet, noe som gir mulighet for en følsomhet som overgår tidligere laboratoriegrenser med flere størrelsesordener og til og med utover de oppnådd ved astrofysiske observasjoner."
Klemt lys øker søket etter mørk materie-aksioner
I mellomtiden har forskerne, som beskriver arbeidet sitt i Physical Review Letters, sier de vil prøve å ytterligere forbedre følsomheten til teknikken deres for eksotiske interaksjoner. For eksempel å bruke en forsterker basert på 3Elektronspinn eller solid-state spinnkilder som optisk pumpede pentacenkrystaller kan bidra til å oppnå dette, sier de.
