Uma nova forma sensível de detectar interações de partículas em laboratório foi usada pela primeira vez para procurar áxions, uma forma hipotética de matéria escura. Usando um chamado amplificador baseado em spin, uma equipe internacional de físicos conseguiu restringir a massa do axion dentro da “janela axion” prevista de 0.01 meV a 1 meV, preenchendo assim a lacuna entre pesquisas laboratoriais anteriores e observações astrofísicas.
Os áxions foram levantados pela primeira vez na década de 1970 como uma forma de explicar um quebra-cabeça notável na física conhecido como problema de paridade de carga. De acordo com a teoria, eles teriam sido produzidos abundantemente após o Big Bang e deveriam ser sem carga e muito menos massivos que os elétrons, o que significa que interagiriam muito fracamente com a matéria e a radiação eletromagnética. Isto torna-os num candidato popular à matéria escura, uma substância misteriosa que parece constituir a maior parte da matéria do Universo e que afecta as propriedades gravitacionais de grandes objectos, como as galáxias.
Interação exótica dipolo-dipolo
O novo método de busca de áxions tira vantagem de uma previsão adicional sobre o comportamento dos áxions: quando férmions (partículas com spin meio inteiro) trocam áxions, eles deveriam produzir uma interação dipolo-dipolo exótica que poderia, em princípio, ser detectada em laboratório. No último estudo, uma equipe liderada por Xinhua Peng da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, juntamente com pesquisadores liderados por Dmitry Budker do Instituto Helmholtz, Universidade Johannes Gutenberg, Mainz, Alemanha e UC Berkeley nos EUA, combinou um grande conjunto de rubídio-87 polarizado (87Rb) átomos (uma fonte de spins de elétrons) com xeon-129 polarizado (129Xe) rotações nucleares para procurar evidências dessa interação.
Os spins nucleares atuam como um amplificador para campos pseudomagnéticos fracos que poderiam ser gerados por elétrons trocando áxions, e experimentos mostraram que esse amplificador baseado em spin poderia aumentar os campos magnéticos externos por um fator de mais de 40. “Os áxions poderiam então ser pesquisou através da medição deste campo”, explica Peng. “Para procurar áxions com massas dentro da janela axion de 0.01 meV a 1 meV, ajustamos a distância que o 129Amplificador baseado em spin Xe e fonte de spin Rb na escala centimétrica.”
A técnica permitiu aos pesquisadores restringir a massa do axion de 0.03 meV a 1 meV, que está na faixa prevista por várias teorias, incluindo QCD de rede de alta temperatura, o modelo de inflação portal de Higgs do modelo padrão Axion Seesaw (SMASH) e redes de cordas de axion. . “Até agora, pesquisas laboratoriais existentes (por exemplo, experimentos de cavidades como ADMX) e observações astrofísicas (por exemplo, SN1987A, anãs brancas e aglomerados globulares) buscavam principalmente áxions com massas fora desta janela (com exceção do experimento ORGAN em Austrália Ocidental)”, diz Peng Mundo da física. “Nosso resultado atinge o espaço de parâmetros da janela axion, complementando estudos astrofísicos e laboratoriais existentes sobre possíveis extensões do Modelo Padrão.”
Melhorando a sensibilidade experimental
Peng diz que a técnica pode ser estendida para procurar uma ampla variedade de partículas hipotéticas além do Modelo Padrão da física de partículas, como bósons Z' e fótons escuros. “Com a nossa técnica, por exemplo, podemos procurar uma ampla gama de interações exóticas mediadas por novas partículas, como interações mediadas por parafótons, cuja sensibilidade de pesquisa correspondente deve ser muitas ordens de magnitude melhor do que as restrições existentes”, diz Peng. “Além disso, podemos procurar diretamente matéria escura galáctica semelhante a um áxion que possa se acoplar ao núcleon, permitindo uma sensibilidade que ultrapassa os limites laboratoriais anteriores em várias ordens de magnitude e até mesmo além daquelas obtidas por observações astrofísicas.”
A luz espremida aumenta a busca por áxions da matéria escura
Enquanto isso, os pesquisadores, que detalham seu trabalho em Physical Review Letters, dizem que tentarão melhorar ainda mais a sensibilidade de sua técnica a interações exóticas. Por exemplo, usando um amplificador baseado em 3Os spins de elétrons ou fontes de spin de estado sólido, como cristais de pentaceno bombeados opticamente, poderiam ajudar a conseguir isso, dizem eles.
