Спиновый усилитель ищет аксионы

Новый чувствительный способ обнаружения взаимодействий частиц в лаборатории впервые был использован для поиска аксионов, гипотетической формы темной материи. Используя так называемый спиновый усилитель, международной команде физиков удалось ограничить массу аксиона в пределах предсказанного «аксионного окна» от 0.01 мэВ до 1 мэВ, тем самым сократив разрыв между предыдущими лабораторными поисками и астрофизическими наблюдениями.

Впервые гипотеза об аксионах была выдвинута в 1970-х годах как способ объяснить выдающуюся загадку физики, известную как проблема зарядовой четности. Согласно теории, они должны были образоваться в большом количестве после Большого взрыва и должны быть беззарядными и гораздо менее массивными, чем электроны, а это означает, что они будут очень слабо взаимодействовать с материей и электромагнитным излучением. Это делает их популярными кандидатами на роль темной материи, загадочного вещества, которое, по-видимому, составляет большую часть материи Вселенной и влияет на гравитационные свойства крупных объектов, таких как галактики.

Экзотическое диполь-дипольное взаимодействие

Новый метод поиска аксионов использует преимущества дальнейшего предсказания поведения аксионов: когда фермионы (частицы с полуцелым спином) обмениваются аксионами, они должны производить экзотическое диполь-дипольное взаимодействие, которое, в принципе, можно обнаружить в лаборатории. В последнем исследовании группа под руководством Синьхуа Пэн Университет науки и технологий Китаясовместно с исследователями под руководством Дмитрий Будкер из Институт Гельмгольца, Университет Иоганна Гутенберга, Майнц, Германиякачества Калифорнийский университет в Беркли в США, объединили большой ансамбль поляризованного рубидия-87 (⁸⁷Rb) атомы (источник электронных спинов) с поляризованным ксеоном-129 (¹²⁹Xe) ядерные спины, чтобы найти доказательства этого взаимодействия.

Ядерные спины действуют как усилитель слабых псевдомагнитных полей, которые могут создаваться электронами, обменивающимися аксионами, и эксперименты показали, что этот спиновый усилитель может усиливать внешние магнитные поля более чем в 40 раз. искал, измеряя это поле», — объясняет Пэн. «Для поиска аксионов с массой в пределах аксионного окна от 0.01 мэВ до 1 мэВ мы регулируем расстояние ¹²⁹Усилитель на основе спина Xe и источник спина Rb в сантиметровом масштабе».

Этот метод позволил исследователям ограничить массу аксиона от 0.03 мэВ до 1 мэВ, что находится в диапазоне, предсказанном несколькими теориями, включая высокотемпературную решеточную КХД, модель стандартной портальной инфляции аксионных качелей Хиггса (SMASH) и сети аксионных струн. . «До сих пор существующие лабораторные поиски (например, эксперименты с полостями типа ADMX) и астрофизические наблюдения (например, SN1987A, белые карлики и шаровые скопления) в основном искали аксионы с массами вне этого окна (за исключением эксперимента ORGAN в Западная Австралия)», — рассказывает Пэн. Мир физики. «Наш результат проникает в пространство параметров аксионного окна, дополняя существующие астрофизические и лабораторные исследования потенциальных расширений Стандартной модели».

Улучшение экспериментальной чувствительности

Пэн говорит, что этот метод может быть расширен для поиска широкого спектра гипотетических частиц за пределами Стандартной модели физики элементарных частиц, таких как Z'-бозоны и темные фотоны. «Например, с помощью нашей техники мы можем искать широкий спектр экзотических взаимодействий, опосредованных новыми частицами, таких как взаимодействия, опосредованные парафотонами, чья соответствующая чувствительность поиска должна быть на много порядков лучше, чем существующие ограничения», — говорит Пэн. «Кроме того, мы можем напрямую искать аксионоподобную галактическую темную материю, которая может соединяться с нуклоном, обеспечивая чувствительность, которая на несколько порядков превосходит предыдущие лабораторные пределы и даже превосходит те, которые были получены с помощью астрофизических наблюдений».

Тем временем исследователи, которые подробно описывают свою работу в Physical Review Letters,, говорят, что они попытаются еще больше улучшить чувствительность своей техники к экзотическим взаимодействиям. Например, используя усилитель на основе ³По их словам, в этом могут помочь спины электронов или твердотельные источники спина, такие как кристаллы пентацена с оптической накачкой.