วิธีการใหม่ที่ละเอียดอ่อนในการตรวจจับปฏิกิริยาของอนุภาคในห้องปฏิบัติการได้ถูกนำมาใช้เป็นครั้งแรกในการค้นหาแกน ซึ่งเป็นรูปแบบสมมุติฐานของสสารมืด การใช้แอมพลิฟายเออร์แบบสปินที่เรียกว่าทีมนักฟิสิกส์นานาชาติประสบความสำเร็จในการจำกัดมวลแกนภายใน "หน้าต่างแกน" ที่คาดการณ์ไว้ที่ 0.01 meV ถึง 1 meV ดังนั้นจึงเป็นการเชื่อมช่องว่างระหว่างการค้นหาในห้องปฏิบัติการก่อนหน้าและการสังเกตทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์
Axions ถูกตั้งสมมติฐานครั้งแรกในปี 1970 เพื่ออธิบายปริศนาที่โดดเด่นในวิชาฟิสิกส์ที่เรียกว่าปัญหาประจุ-พาริตี ตามทฤษฎีแล้ว พวกมันจะถูกผลิตออกมาอย่างมากมายหลังจากบิกแบง และควรจะมีทั้งแบบไม่มีประจุและมีมวลน้อยกว่าอิเล็กตรอนมาก ซึ่งหมายความว่าพวกมันจะมีปฏิกิริยาต่อสสารและการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าน้อยมาก สิ่งนี้ทำให้พวกเขาเป็นที่นิยมสำหรับสสารมืด สารลึกลับที่ดูเหมือนจะประกอบขึ้นเป็นสสารส่วนใหญ่ในจักรวาล และส่งผลต่อคุณสมบัติความโน้มถ่วงของวัตถุขนาดใหญ่ เช่น ดาราจักร
ปฏิสัมพันธ์ไดโพล - ไดโพลที่แปลกใหม่
วิธีการค้นหาแกนแบบใหม่ใช้ประโยชน์จากการคาดการณ์เพิ่มเติมเกี่ยวกับพฤติกรรมของแกน: เมื่อ fermions (อนุภาคที่มีการหมุนวนครึ่งจำนวนเต็ม) แลกเปลี่ยนแกน พวกเขาควรสร้างปฏิสัมพันธ์ระหว่างไดโพลกับไดโพลที่แปลกใหม่ซึ่งสามารถตรวจพบได้ในห้องปฏิบัติการโดยหลักการ ในการศึกษาล่าสุด ทีมงานนำโดย ซินหัวเผิง ของ มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศจีนร่วมกับนักวิจัยนำโดย ดมิทรี บัดเกอร์ จาก สถาบัน Helmholtz, มหาวิทยาลัย Johannes Gutenberg, ไมนซ์, ประเทศเยอรมนีและ UC Berkeley ในสหรัฐอเมริกา, รวมกลุ่มใหญ่ของโพลาไรซ์รูบิเดียม-87 (87Rb) อะตอม (แหล่งกำเนิดของอิเล็กตรอนหมุน) กับโพลาไรซ์ xeon-129 (129Xe) หมุนนิวเคลียสเพื่อค้นหาหลักฐานของการมีปฏิสัมพันธ์นี้
การหมุนของนิวเคลียสทำหน้าที่เป็นตัวขยายสัญญาณสำหรับสนามแม่เหล็กเทียมที่อ่อนแอ ซึ่งสามารถเกิดขึ้นได้จากการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนในแกน และจากการทดลองพบว่าแอมพลิฟายเออร์แบบสปินนี้สามารถปรับปรุงสนามแม่เหล็กภายนอกได้มากกว่า 40 เท่า ค้นผ่านการวัดพื้นที่นี้” เผิงอธิบาย “ในการค้นหาแกนที่มีมวลภายในกรอบแกน 0.01 meV ถึง 1 meV เราปรับระยะห่าง 129แอมพลิฟายเออร์ที่ใช้สปิน Xe และแหล่งกำเนิดการหมุน Rb ในระดับเซนติเมตร”
เทคนิคนี้อนุญาตให้นักวิจัยจำกัดมวลของแกนจาก 0.03 meV ถึง 1 meV ซึ่งอยู่ในช่วงที่ทำนายโดยหลายทฤษฎี รวมถึง QCD ตาข่ายที่อุณหภูมิสูง โมเดลมาตรฐาน Axion Seesaw Higgs Portal Inflation (SMASH) และเครือข่ายสตริง axion . “จนถึงปัจจุบัน การค้นหาในห้องปฏิบัติการที่มีอยู่ (เช่น การทดลองในโพรง เช่น ADMX) และการสังเกตทางดาราศาสตร์ (เช่น SN1987A, ดาวแคระขาว และกระจุกดาวทรงกลม) ส่วนใหญ่ค้นหา axion ที่มีมวลนอกหน้าต่างนี้ (ยกเว้นการทดลอง ORGAN ใน เวสเทิร์นออสเตรเลีย)” เป็งบอก โลกฟิสิกส์. "ผลของเราไปถึงช่องว่างพารามิเตอร์ axion-window ซึ่งช่วยเสริมการศึกษาทางฟิสิกส์และห้องปฏิบัติการที่มีอยู่เกี่ยวกับการขยายแบบจำลองมาตรฐานที่เป็นไปได้"
การปรับปรุงความไวในการทดลอง
Peng กล่าวว่าเทคนิคนี้อาจขยายออกไปอีกเพื่อค้นหาอนุภาคสมมุติฐานที่หลากหลายนอกเหนือจากแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค เช่น Z' bosons และโฟตอนมืด "ด้วยเทคนิคของเรา ตัวอย่างเช่น เราสามารถค้นหาปฏิสัมพันธ์ที่แปลกใหม่หลากหลายโดยอาศัยอนุภาคใหม่ เช่น การโต้ตอบที่อาศัยพาราโฟตอน ซึ่งความไวในการค้นหาที่เกี่ยวข้องควรมีลำดับความสำคัญมากกว่าข้อจำกัดที่มีอยู่" Peng กล่าว "นอกจากนี้ เราสามารถค้นหาสสารมืดคล้ายกาแลคซีที่คล้ายแกนแกนซึ่งสามารถจับคู่กับนิวคลีออนได้โดยตรง ทำให้เกิดความไวที่เกินขีดจำกัดของห้องปฏิบัติการก่อนหน้านี้ด้วยลำดับความสำคัญหลายขนาด และมากกว่าที่ได้จากการสังเกตการณ์ทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์"
แสงที่บีบจะช่วยเพิ่มการค้นหาแกนของสสารมืด
ในระหว่างนี้ นักวิจัยซึ่งให้รายละเอียดงานของพวกเขาใน จดหมายทางกายภาพความคิดเห็นกล่าวว่าพวกเขาจะพยายามปรับปรุงความไวของเทคนิคต่อปฏิสัมพันธ์ที่แปลกใหม่ ตัวอย่างเช่น การใช้แอมพลิฟายเออร์ตาม 3การหมุนของอิเล็กตรอนหรือแหล่งกำเนิดการหมุนของโซลิดสเตตเช่นคริสตัลเพนทาซีนที่ปั๊มด้วยแสงสามารถช่วยบรรลุสิ่งนี้ได้
