Un nou mod sensibil de a detecta interacțiunile cu particule în laborator a fost folosit pentru prima dată pentru a căuta axioni, o formă ipotetică a materiei întunecate. Folosind un așa-numit amplificator bazat pe spin, o echipă internațională de fizicieni a reușit să limiteze masa axională în „fereastra axională” prezisă de 0.01 meV până la 1 meV, reducând astfel decalajul dintre căutările anterioare de laborator și observațiile astrofizice.
Axions au fost emise pentru prima dată în anii 1970 ca o modalitate de a explica un puzzle remarcabil în fizică cunoscut sub numele de problema parității sarcinii. Conform teoriei, ar fi fost produse din abundență după Big Bang și ar trebui să fie atât lipsite de încărcare, cât și mult mai puțin masive decât electronii, ceea ce înseamnă că ar interacționa foarte slab cu materia și radiația electromagnetică. Acest lucru îi face un candidat popular pentru materia întunecată, o substanță misterioasă care pare să constituie cea mai mare parte a materiei din univers și afectează proprietățile gravitaționale ale obiectelor mari, cum ar fi galaxiile.
Interacțiunea dipol-dipol exotică
Noua metodă de căutare a axionilor profită de o predicție suplimentară despre comportamentul axionilor: atunci când fermionii (particulele cu spin semiîntreg) schimbă axioni, aceștia ar trebui să producă o interacțiune exotică dipol-dipol care ar putea fi, în principiu, detectată în laborator. În cel mai recent studiu, o echipă condusă de Xinhua Peng a Universitatea de Știință și Tehnologie din China, împreună cu cercetători conduși de Dmitri Budker de la Institutul Helmholtz, Universitatea Johannes Gutenberg, Mainz, Germania, și UC Berkeley în SUA, a combinat un ansamblu mare de rubidiu-87 polarizat (87Rb) atomi (o sursă de spin de electroni) cu xeon-129 polarizat (129Xe) se rotește nuclear pentru a căuta dovezi ale acestei interacțiuni.
Spiri nucleari acționează ca un amplificator pentru câmpurile pseudo-magnetice slabe care ar putea fi generate de electroni care schimbă axioni, iar experimentele au arătat că acest amplificator bazat pe spin ar putea îmbunătăți câmpurile magnetice externe cu un factor de peste 40. „Axionii ar putea fi apoi căutat prin măsurarea acestui câmp”, explică Peng. „Pentru a căuta axioni cu mase în fereastra axională de 0.01 meV până la 1 meV, ajustăm distanța la 129Amplificator bazat pe spin Xe și sursa de spin Rb la scara centimetrică.”
Tehnica le-a permis cercetătorilor să limiteze masa axionului de la 0.03 meV la 1 meV, care se află în intervalul prezis de mai multe teorii, inclusiv QCD cu rețea la temperatură înaltă, modelul standard de inflație portală Axion Seesaw Higgs (SMASH) și rețelele de șiruri de axion. . „Până acum, căutările existente de laborator (de exemplu, experimente cu cavități precum ADMX) și observații astrofizice (de exemplu, SN1987A, pitici albe și clustere globulare) au căutat în mare parte axioni cu mase în afara acestei ferestre (cu excepția experimentului ORGAN din Australia de Vest),” spune Peng Lumea fizicii. „Rezultatul nostru ajunge în spațiul parametrilor axion-ferestre, completând studiile astrofizice și de laborator existente privind potențialele extensii ale modelului standard.”
Îmbunătățirea sensibilității experimentale
Peng spune că tehnica ar putea fi extinsă și mai mult pentru a căuta o mare varietate de particule ipotetice dincolo de Modelul standard al fizicii particulelor, cum ar fi bosonii Z și fotonii întunecați. „Cu tehnica noastră, de exemplu, putem căuta o gamă largă de interacțiuni exotice mediate de noi particule, cum ar fi interacțiunile mediate de parafotoni, a căror sensibilitate corespunzătoare de căutare ar trebui să fie cu multe ordine de mărime mai bună decât constrângerile existente”, spune Peng. „În plus, putem căuta direct materie întunecată galactică asemănătoare axionului care s-ar putea cupla cu nucleonul, permițând o sensibilitate care depășește limitele anterioare de laborator cu câteva ordine de mărime și chiar dincolo de cele obținute prin observații astrofizice.”
Lumina stoarsă stimulează căutarea axioanelor materiei întunecate
Între timp, cercetătorii, care își detaliază munca în Scrisori de recenzie fizică, spun că vor încerca să îmbunătățească și mai mult sensibilitatea tehnicii lor la interacțiunile exotice. De exemplu, folosind un amplificator bazat pe 3Spinurile de electroni sau sursele de spin în stare solidă, cum ar fi cristalele de pentacen pompate optic, ar putea ajuta la realizarea acestui lucru, spun ei.
