Ett känsligt nytt sätt att upptäcka partikelinteraktioner i laboratoriet har för första gången använts för att söka efter axioner, en hypotetisk form av mörk materia. Med hjälp av en så kallad spin-baserad förstärkare lyckades ett internationellt team av fysiker begränsa axionsmassan inom det förutsagda "axionsfönstret" på 0.01 meV till 1 meV, och därigenom överbrygga gapet mellan tidigare laboratoriesökningar och astrofysiska observationer.
Axions antogs först på 1970-talet som ett sätt att förklara ett enastående pussel i fysiken, känt som laddningsparitetsproblemet. Enligt teorin skulle de ha producerats rikligt efter Big Bang, och borde vara både laddningsfria och mycket mindre massiva än elektroner, vilket innebär att de skulle interagera mycket svagt med materia och elektromagnetisk strålning. Detta gör dem till en populär kandidat för mörk materia, en mystisk substans som verkar utgöra det mesta av materia universum och påverkar gravitationsegenskaperna hos stora objekt som galaxer.
Exotisk dipol-dipol-interaktion
Den nya axionssökmetoden drar fördel av ytterligare en förutsägelse om axionsbeteende: när fermioner (partiklar med halvheltalsspin) utbyter axioner, bör de producera en exotisk dipol-dipol-interaktion som i princip skulle kunna detekteras i laboratoriet. I den senaste studien har ett team under ledning av Xinhua Peng av University of Science and Technology i Kina, tillsammans med forskare under ledning av Dmitry Budker från Helmholtz-institutet, Johannes Gutenberg-universitetet, Mainz, Tysklandoch UC Berkeley i USA, kombinerade en stor ensemble av polariserat rubidium-87 (87Rb) atomer (en källa till elektronspinn) med polariserad xeon-129 (129Xe) kärnkraftssnurr för att leta efter bevis för denna interaktion.
Kärnspinnen fungerar som en förstärkare för svaga pseudomagnetiska fält som kan genereras av elektroner som utbyter axioner, och experiment visade att denna spinnbaserade förstärkare kunde förstärka externa magnetfält med en faktor på mer än 40. "Axionerna kunde då vara sökte genom att mäta detta fält”, förklarar Peng. "För att söka efter axioner med massor inom axionsfönstret på 0.01 meV till 1 meV, justerar vi avståndet mellan 129Xe spin-baserad förstärkare och Rb-spinkällan till centimeterskalan."
Tekniken gjorde det möjligt för forskarna att begränsa axionsmassan från 0.03 meV till 1 meV, vilket ligger inom det intervall som förutspåtts av flera teorier, inklusive högtemperaturgitter QCD, standardmodellen Axion Seesaw Higgs portalinflationsmodell (SMASH) och axionssträngnätverk . "Tills nu har befintliga laboratoriesökningar (till exempel kavitetsexperiment som ADMX) och astrofysiska observationer (till exempel SN1987A, vita dvärgar och klotkluster) mestadels sökt efter axioner med massor utanför detta fönster (med undantag för ORGAN-experimentet i Western Australia), berättar Peng Fysikvärlden. "Vårt resultat når in i axion-fönsterparameterutrymmet och kompletterar befintliga astrofysiska studier och laboratoriestudier om potentiella standardmodellförlängningar."
Förbättring av experimentell känslighet
Peng säger att tekniken kan utökas ytterligare för att söka efter en mängd olika hypotetiska partiklar bortom standardmodellen för partikelfysik, såsom Z'-bosoner och mörka fotoner. "Med vår teknik kan vi till exempel söka efter ett brett spektrum av exotiska interaktioner medierade av nya partiklar, såsom parafotonmedierade interaktioner, vars motsvarande sökkänslighet borde vara många storleksordningar bättre än befintliga begränsningar", säger Peng. "Dessutom kan vi direkt söka efter axionsliknande galaktisk mörk materia som skulle kunna kopplas till nukleonen, vilket möjliggör en känslighet som överstiger tidigare laboratoriegränser med flera storleksordningar och till och med bortom de som erhålls genom astrofysiska observationer."
Pressat ljus ökar sökandet efter axioner av mörk materia
Under tiden har forskarna, som detaljerat sitt arbete i Fysiska granskningsbrev, säger att de kommer att försöka ytterligare förbättra känsligheten hos sin teknik för exotiska interaktioner. Till exempel att använda en förstärkare baserad på 3Elektronspinn eller solid-state spin-källor som optiskt pumpade pentacenkristaller kan hjälpa till att uppnå detta, säger de.
