Wzmacniacz spinowy szuka aksjonów

Czuły nowy sposób wykrywania interakcji cząstek w laboratorium został po raz pierwszy zastosowany w poszukiwaniu aksjonów, hipotetycznej formy ciemnej materii. Używając tak zwanego wzmacniacza spinowego, międzynarodowemu zespołowi fizyków udało się ograniczyć masę aksjonu w przewidywanym „oknie aksyjnym” od 0.01 meV do 1 meV, wypełniając w ten sposób lukę między poprzednimi badaniami laboratoryjnymi a obserwacjami astrofizycznymi.

Po raz pierwszy wysunięto hipotezę o aksjonach w latach 1970. XX wieku jako sposób na wyjaśnienie niezwykłej zagadki w fizyce znanej jako problem parzystości ładunku. Zgodnie z teorią, po Wielkim Wybuchu zostałyby wyprodukowane obficie i powinny być zarówno bezładunkowe, jak i znacznie mniej masywne niż elektrony, co oznacza, że ​​oddziaływałyby bardzo słabo z materią i promieniowaniem elektromagnetycznym. To sprawia, że ​​są popularnym kandydatem na ciemną materię, tajemniczą substancję, która wydaje się tworzyć większość materii we wszechświecie i wpływa na właściwości grawitacyjne dużych obiektów, takich jak galaktyki.

Egzotyczne oddziaływanie dipol-dipol

Nowa metoda wyszukiwania aksjonów wykorzystuje dalsze przewidywania dotyczące zachowania aksjonów: gdy fermiony (cząstki o spinie o liczbie całkowitej połówkowej) wymieniają aksiony, powinny wytworzyć egzotyczną interakcję dipol-dipol, którą można w zasadzie wykryć w laboratorium. W najnowszym badaniu zespół kierowany przez Xinhua Peng ukończenia Uniwersytet Nauki i Technologii w Chinach, wraz z badaczami pod kierunkiem Dmitrij Budker z Instytut Helmholtza, Uniwersytet Jana Gutenberga, Moguncja, Niemcy, UC Berkeley w USA, połączony duży zespół spolaryzowanego rubidu-87 (⁸⁷Rb) atomy (źródło spinów elektronów) ze spolaryzowanym xeon-129 (¹²⁹Xe) spiny jądrowe w poszukiwaniu dowodów na tę interakcję.

Spiny jądrowe działają jak wzmacniacz dla słabych pól pseudomagnetycznych, które mogą być generowane przez elektrony wymieniające aksiony, a eksperymenty wykazały, że ten wzmacniacz oparty na spinach może wzmocnić zewnętrzne pola magnetyczne ponad 40-krotnie. przeszukiwał, mierząc to pole”, wyjaśnia Peng. „Aby szukać aksjonów o masach w oknie aksjonu od 0.01 meV do 1 meV, dostosowujemy odległość ¹²⁹Wzmacniacz na bazie spinu Xe i źródło spinu Rb w skali centymetrowej.”

Technika ta pozwoliła naukowcom ograniczyć masę aksjonu z 0.03 meV do 1 meV, co mieści się w zakresie przewidzianym przez kilka teorii, w tym wysokotemperaturową QCD kratową, model standardowy Axion Seesaw Higgs portal inflacji (SMASH) i sieci strun aksjonowych . „Do tej pory istniejące wyszukiwania laboratoryjne (na przykład eksperymenty wnękowe, takie jak ADMX) i obserwacje astrofizyczne (na przykład SN1987A, białe karły i gromady kuliste) najczęściej poszukiwały aksjonów o masach poza tym oknem (z wyjątkiem eksperymentu ORGAN w Zachodnia Australia)”, mówi Peng Świat Fizyki. „Nasz wynik sięga do przestrzeni parametrów okna aksjonowego, uzupełniając istniejące badania astrofizyczne i laboratoryjne nad potencjalnymi rozszerzeniami modelu standardowego”.

Poprawa wrażliwości eksperymentalnej

Peng twierdzi, że technika może być dalej rozszerzona w celu poszukiwania szerokiej gamy hipotetycznych cząstek poza Modelem Standardowym fizyki cząstek elementarnych, takich jak bozony Z' i ciemne fotony. „Dzięki naszej technice możemy na przykład wyszukiwać szeroki zakres egzotycznych interakcji, w których pośredniczą nowe cząstki, takie jak interakcje za pośrednictwem parafotonów, których odpowiednia czułość wyszukiwania powinna być o wiele rzędów wielkości lepsza niż istniejące ograniczenia”, mówi Peng. „Ponadto możemy bezpośrednio szukać ciemnej materii podobnej do aksonu, która mogłaby łączyć się z nukleonem, pozwalając na czułość, która przekracza poprzednie granice laboratoryjne o kilka rzędów wielkości, a nawet przekracza te uzyskane w obserwacjach astrofizycznych”.

W międzyczasie badacze, którzy szczegółowo opisują swoją pracę w: Physical Review Lettersmówią, że spróbują jeszcze bardziej poprawić wrażliwość swojej techniki na egzotyczne interakcje. Na przykład za pomocą wzmacniacza opartego na ³Jak twierdzą, spiny elektronów lub źródła spinów w stanie stałym, takie jak pompowane optycznie kryształy pentacenu, mogą w tym pomóc.