Запропоновано новий метод пошуку аксіонів
Міжнародна група фізиків запропонувала новий лабораторний спосіб виявлення взаємодії частинок. Пошук аксіонів, гіпотетичної форми темної матерії, вийшов на новий рівень.
Фізики випробували новий спіновий підсилювач, за непрямими показниками якого визначили масу аксіона в межах допустимого "аксіонного вікна" - від 0,01 до 1 меВ. Тим самим було подолано розрив між попередніми лабораторними пошуками та астрофізичними спостереженнями.
Уперше гіпотезу про аксіони було висунуто в 1970-х роках як спосіб пояснення проблеми зарядової парності.
Згідно з теорією, елементарні частинки повинні були в достатку утворитися після Великого вибуху, бути без заряду і набагато менш масивними, ніж електрони. Це означає, що вони дуже слабо взаємодіють із речовиною та електромагнітним випромінюванням.
Звідси і виникає кандидатство на роль темної матерії - загадкової речовини, яка, імовірно, становить більшу частину матеріального Всесвіту і впливає на гравітаційні властивості великих структур, наприклад, галактик.
Екзотична диполь-дипольна взаємодія
Новий метод пошуку аксіонів використовує наступне пророцтво про їхню поведінку: коли ферміони (частинки з напівцілим спіном) обмінюються аксіонами, вони повинні виробляти екзотичну диполь-дипольну взаємодію, яка в принципі може бути виявлена в лабораторії.
В останньому дослідженні група під керівництвом Сіньхуа Пен з Університету науки і технологій Китаю разом із командою Дмитра Будкера з Інституту Гельмгольца об'єднала великий ансамбль поляризованих атомів рубідію-87 (87Rb) (джерело електронних спінів) із поляризованими ядерними спінами ксеону-129 (129Xe) для пошуку доказів цієї взаємодії.
Ядерні спіни діють як підсилювач слабких псевдомагнітних полів, які генеруються електронами, що обмінюються аксіонами. Експерименти показали, що спіновий підсилювач впливає на зовнішні магнітні поля - більш ніж у 40 разів.
"Аксіони можна було шукати, вимірюючи це поле", - пояснює Пенг.
"Для пошуку аксіонів з масами в межах аксіонного вікна від 0,01 МеВ до 1 МеВ ми змінили відстань між спіновим підсилювачем на основі 129Xe і спіновим джерелом Rb до сантиметрового масштабу".
Цей метод дав змогу дослідникам обмежити масу аксіона від 0,03 меВ до 1 меВ, що лежить у діапазоні, передбаченому кількома теоріями, включно з високотемпературною гратчатою КХД, моделлю стандартної моделі аксіонного порталу Хіггса (SMASH) і аксіонними струнними мережами.
"До сих пір існуючі лабораторні дослідження (наприклад, експерименти з порожнинами ADMX) і астрофізичні спостереження (наприклад, SN1987A, білі карлики і кульові скупчення) в основному орієнтувалися на пошук аксіонів з масами за межами цього вікна (за винятком експерименту ORGAN в Західній Австралії)", - говорить Пенг в інтерв'ю Physics World.
"Наш результат охоплює простір параметрів аксіонного вікна, доповнюючи наявні астрофізичні та лабораторні дослідження потенційних розширень Стандартної моделі".
Підвищуючи експериментальну чутливість
Пенг переконаний, що методика може бути розширена для пошуку широкого спектра гіпотетичних частинок за межами Стандартної моделі фізики частинок, таких як Z' бозони і темні фотони.
"За допомогою нашої методики, наприклад, ми можемо шукати широкий спектр екзотичних взаємодій, опосередкованих новими частинками, таких як взаємодії парафотонів, відповідна чутливість яких має бути на багато порядків вищою за наявні обмеження", - стверджує фізик.
"Крім того, ми можемо безпосередньо шукати аксіоноподібну галактичну темну матерію, відкидаючи лабораторні обмеження і результати астрофізичних спостережень".