Một cách nhạy cảm mới để phát hiện các tương tác hạt trong phòng thí nghiệm lần đầu tiên được sử dụng để tìm kiếm các axion, một dạng vật chất tối giả thuyết. Sử dụng cái gọi là bộ khuếch đại dựa trên spin, một nhóm các nhà vật lý quốc tế đã thành công trong việc hạn chế khối lượng trục trong “cửa sổ trục” dự đoán từ 0.01 meV đến 1 meV, nhờ đó thu hẹp khoảng cách giữa các cuộc tìm kiếm trong phòng thí nghiệm trước đây và các quan sát vật lý thiên văn.
Các trục lần đầu tiên được đưa ra giả thuyết vào những năm 1970 như một cách để giải thích một câu đố nổi bật trong vật lý được gọi là bài toán ngang giá điện tích. Theo lý thuyết, chúng sẽ được tạo ra rất nhiều sau Vụ nổ lớn, và phải vừa không tích điện vừa nhẹ hơn nhiều so với các electron, nghĩa là chúng sẽ tương tác rất yếu với vật chất và bức xạ điện từ. Điều này khiến chúng trở thành ứng cử viên phổ biến cho vật chất tối, một chất bí ẩn dường như tạo nên phần lớn vật chất trong vũ trụ và ảnh hưởng đến đặc tính hấp dẫn của các vật thể lớn như các thiên hà.
Tương tác lưỡng cực-lưỡng cực kỳ lạ
Phương pháp tìm kiếm trục mới tận dụng lợi thế của một dự đoán xa hơn về hành vi của trục: khi các fermion (hạt có spin bán nguyên) trao đổi giữa các trục, chúng sẽ tạo ra một tương tác lưỡng cực-lưỡng cực kỳ lạ mà về nguyên tắc, có thể được phát hiện trong phòng thí nghiệm. Trong nghiên cứu mới nhất, một nhóm do tân hoa xã bành của Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc, cùng với các nhà nghiên cứu do Dmitry Budker từ Viện Helmholtz, Đại học Johannes Gutenberg, Mainz, Đứcvà UC Berkeley ở Hoa Kỳ, kết hợp một nhóm lớn rubidi-87 phân cực (87Rb) các nguyên tử (một nguồn spin của electron) với xeon-129 phân cực (129Xe) quay hạt nhân để tìm kiếm bằng chứng về sự tương tác này.
Các spin hạt nhân hoạt động như một bộ khuếch đại cho từ trường giả yếu có thể được tạo ra bởi các electron trao đổi trục, và các thí nghiệm cho thấy rằng bộ khuếch đại dựa trên spin này có thể tăng cường từ trường bên ngoài lên hơn 40 lần. “Sau đó, các trục có thể là đã tìm kiếm thông qua việc đo lường trường này,” Peng giải thích. “Để tìm kiếm các trục có khối lượng trong cửa sổ trục từ 0.01 meV đến 1 meV, chúng tôi điều chỉnh khoảng cách 129Bộ khuếch đại dựa trên spin Xe và nguồn spin Rb ở thang đo centimet.”
Kỹ thuật này cho phép các nhà nghiên cứu hạn chế khối lượng trục từ 0.03 meV đến 1 meV, nằm trong phạm vi được dự đoán bởi một số lý thuyết, bao gồm QCD mạng tinh thể nhiệt độ cao, mô hình lạm phát cổng thông tin Higgs Seesaw Higgs (SMASH) của Mô hình Tiêu chuẩn và mạng lưới chuỗi trục . “Cho đến nay, các tìm kiếm trong phòng thí nghiệm hiện có (ví dụ: các thí nghiệm khoang như ADMX) và các quan sát vật lý thiên văn (ví dụ: SN1987A, sao lùn trắng và Cụm sao cầu) chủ yếu tìm kiếm các trục có khối lượng bên ngoài cửa sổ này (ngoại trừ thí nghiệm ORGAN trong Tây Úc),” Peng nói Thế giới vật lý. “Kết quả của chúng tôi vươn tới không gian tham số cửa sổ trục, bổ sung cho các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và vật lý thiên văn hiện có về các phần mở rộng Mô hình Chuẩn tiềm năng.”
Cải thiện độ nhạy thí nghiệm
Peng cho biết kỹ thuật này có thể được mở rộng hơn nữa để tìm kiếm nhiều loại hạt giả thuyết khác nhau ngoài Mô hình Chuẩn của vật lý hạt, chẳng hạn như boson Z' và photon tối. Peng cho biết: “Ví dụ: với kỹ thuật của chúng tôi, chúng tôi có thể tìm kiếm một loạt các tương tác kỳ lạ qua trung gian của các hạt mới, chẳng hạn như các tương tác qua trung gian paraphoton, mà độ nhạy tìm kiếm tương ứng của chúng sẽ tốt hơn nhiều bậc so với các ràng buộc hiện có,” Peng nói. “Ngoài ra, chúng ta có thể trực tiếp tìm kiếm vật chất tối của thiên hà giống như axion có thể kết hợp với nucleon, cho phép đạt được độ nhạy vượt qua các giới hạn trong phòng thí nghiệm trước đó theo vài bậc độ lớn và thậm chí vượt xa các giới hạn thu được từ các quan sát vật lý thiên văn.”
Ánh sáng ép tăng cường tìm kiếm các trục vật chất tối
Trong khi đó, các nhà nghiên cứu, những người trình bày chi tiết công việc của họ trong Physical Review Letters, nói rằng họ sẽ cố gắng cải thiện hơn nữa độ nhạy của kỹ thuật đối với các tương tác kỳ lạ. Ví dụ: sử dụng bộ khuếch đại dựa trên 3Họ nói rằng các spin của electron hoặc các nguồn spin ở trạng thái rắn như các tinh thể pentacene được bơm bằng quang học có thể giúp đạt được điều này.
