Спіновий підсилювач шукає аксіони

Новий чутливий спосіб виявлення взаємодії частинок у лабораторії був вперше використаний для пошуку аксіонів, гіпотетичної форми темної матерії. Використовуючи так званий спіновий підсилювач, міжнародній групі фізиків вдалося обмежити масу аксіона в межах передбаченого «аксіонного вікна» від 0.01 меВ до 1 меВ, тим самим подолаючи розрив між попередніми лабораторними пошуками та астрофізичними спостереженнями.

Вперше гіпотеза про аксіони була висунута в 1970-х роках як спосіб пояснення видатної головоломки у фізиці, відомої як проблема паритету заряду. Відповідно до теорії, після Великого вибуху вони були б у великій кількості вироблені, і мали б бути як беззарядними, так і набагато меншими за електрони, а це означає, що вони б дуже слабо взаємодіяли з речовиною та електромагнітним випромінюванням. Це робить їх популярними кандидатами на темну матерію, таємничу речовину, яка, здається, становить більшу частину матерії Всесвіту та впливає на гравітаційні властивості великих об’єктів, таких як галактики.

Екзотична диполь-дипольна взаємодія

Новий метод пошуку аксіонів використовує переваги подальшого передбачення щодо поведінки аксіонів: коли ферміони (частинки з напівцілим спіном) обмінюються аксіонами, вони повинні викликати екзотичну диполь-дипольну взаємодію, яку, в принципі, можна виявити в лабораторії. В останньому дослідженні команда під керівництвом Сіньхуа Пен в Університет науки і техніки Китаю, спільно з дослідниками під керівництвом Дмитро Будкер від Інститут Гельмгольца, Університет Йоганна Гутенберга, Майнц, Німеччина та Каліфорнійський університет Берклі в США, поєднав великий ансамбль поляризованого рубідію-87 (⁸⁷атоми Rb (джерело спінів електронів) з поляризованим ксеноном-129 (¹²⁹Xe) ядерні оберти для пошуку доказів цієї взаємодії.

Ядерні спіни діють як підсилювачі для слабких псевдомагнітних полів, які можуть бути створені електронами, які обмінюються аксіонами, і експерименти показали, що цей спіновий підсилювач може посилювати зовнішні магнітні поля більш ніж у 40 разів. «Тоді аксіони можуть бути шукав вимірювання цього поля», – пояснює Пенг. «Щоб шукати аксіони з масами в межах аксіонного вікна від 0.01 меВ до 1 меВ, ми регулюємо відстань до ¹²⁹Підсилювач на основі спіну Xe та джерело обертання Rb у сантиметровій шкалі».

Ця техніка дозволила дослідникам обмежити масу аксіона від 0.03 меВ до 1 меВ, що знаходиться в діапазоні, передбаченому кількома теоріями, включаючи високотемпературну ґраткову КХД, модель портальної інфляції Хіггса за стандартною моделлю Axion Seesaw (SMASH) і мережі аксіонних струн. . «Досі існуючі лабораторні пошуки (наприклад, експерименти з порожнинами, такі як ADMX) і астрофізичні спостереження (наприклад, SN1987A, білі карлики та кульові скупчення) здебільшого шукали аксіони з масами за межами цього вікна (за винятком експерименту ORGAN у Західна Австралія), — розповідає Пен Світ фізики. «Наш результат досягає простору параметрів аксіонного вікна, доповнюючи існуючі астрофізичні та лабораторні дослідження потенційних розширень стандартної моделі».

Підвищення експериментальної чутливості

Пен каже, що цю техніку можна розширити для пошуку широкого спектру гіпотетичних частинок за межами Стандартної моделі фізики елементарних частинок, таких як Z'-бозони та темні фотони. «За допомогою нашої техніки, наприклад, ми можемо шукати широкий спектр екзотичних взаємодій, опосередкованих новими частинками, таких як взаємодії, опосередковані парафотоном, відповідна чутливість пошуку яких має бути на багато порядків кращою, ніж існуючі обмеження», — каже Пенг. «Крім того, ми можемо безпосередньо шукати аксіоноподібну галактичну темну матерію, яка могла б з’єднатися з нуклоном, дозволяючи досягти чутливості, яка перевищує попередні лабораторні обмеження на кілька порядків і навіть перевищує ті, що були отримані за допомогою астрофізичних спостережень».

Тим часом дослідники, які детально описують свою роботу в Physical Review Letters,, кажуть, що вони намагатимуться ще більше покращити чутливість своєї техніки до екзотичних взаємодій. Наприклад, використовуючи підсилювач на основі ³Вони кажуть, що спіни електронів або твердотільні джерела обертання, такі як кристали пентацену з оптичною накачкою, можуть допомогти досягти цього.