Специальная установка использует поляризованный рубидий и ксенон в качестве системы передатчика и приемника для экзотических полей.

1 февраля 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

корректура

от Университета Майнца

В поисках новых сил и взаимодействий за пределами Стандартной модели международная группа исследователей, включающая кластер передового опыта PRISMA Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце (JGU) и Института Гельмгольца в Майнце, сделала хороший шаг вперед. Исследователи, в том числе профессор доктор Дмитрий Будкер, используют метод усиления, основанный на ядерном магнитном резонансе.

В своей работе, недавно опубликованной в журнале Science Advances, они используют свою экспериментальную установку для изучения особого экзотического взаимодействия между спинами: взаимодействия, нарушающего четность, опосредованного новой гипотетической обменной частицей, называемой Z'-бозоном, которая существует в дополнение к Z-бозону. опосредующее слабое взаимодействие в стандартной модели.

В нынешней установке им не удалось обнаружить эту частицу, но удалось повысить чувствительность на пять порядков по сравнению с предыдущими измерениями. Это позволяет исследователям устанавливать ограничения на силу взаимодействия новой обменной частицы с частицами Стандартной модели, которые дополняют астрофизические наблюдения и открывают ранее недоступную область.

Многочисленные теории предсказывают существование экзотических взаимодействий за пределами Стандартной модели. Они отличаются от четырех известных взаимодействий и опосредуются ранее неизвестными обменными частицами. В частности, особый интерес в настоящее время вызывают взаимодействия с нарушением четности, т. е. с нарушением зеркальной симметрии.

С одной стороны, потому что это сразу указало бы на конкретный тип новой физики, с которой мы имеем дело, а с другой стороны, потому что их эффекты легче отделить от ложных систематических эффектов, которые обычно не демонстрируют нарушения зеркальной симметрии. «В данной статье мы внимательно рассмотрим такое взаимодействие между спинами электронов и спинами нейтронов, опосредованное гипотетическим Z'-бозоном. В зеркальном мире это взаимодействие привело бы к другому результату; четность здесь нарушены», — поясняет Дмитрий Будкер.

Этот «результат» выглядит следующим образом: все спины электронов внутри источника выровнены в одном направлении, то есть поляризованы, и поляризация постоянно модулируется, создавая таким образом экзотическое поле, которое воспринимается как магнитное поле и может быть измерено с помощью датчика. . В зеркальном мире экзотическое поле будет указывать не в том же направлении, как можно было бы ожидать в «настоящем» зеркальном отражении, а в противоположном направлении: четность этого взаимодействия нарушается.

«Спиновый усилитель для исследований в области физики элементарных частиц» (сокращенно САПФИР) — так исследователи назвали свою установку, основанную на двух элементах: рубидии и ксеноне. Они уже использовали эту технику в аналогичной форме для поиска других экзотических взаимодействий и полей темной материи.

В частности, при экспериментальном поиске экзотических спин-спиновых взаимодействий две камеры, заполненные парами одного из двух элементов, располагаются в непосредственной близости друг от друга: «В нашем эксперименте мы используем поляризованные электронные спины атомов рубидия-87 в качестве спиновый источник и поляризованные нейтронные спины благородного газа ксенона, а точнее изотопа ксенона-129, в качестве датчика спина», — говорит Дмитрий Будкер.

Хитрость в том, что особая структура и поляризованные атомы ксенона в спиновом датчике изначально усиливают поле, генерируемое в рубидийном источнике: таким образом, эффект, вызванный потенциальным экзотическим полем, будет в 200 раз больше. Теперь в игру вступает принцип ядерного магнитного резонанса, то есть тот факт, что ядерные спины реагируют на магнитные поля, которые колеблются с определенной резонансной частотой. Для этой цели в сенсорной ячейке также присутствуют атомы рубидия-87 в небольшом количестве. Они, в свою очередь, действуют как чрезвычайно чувствительный магнитометр для определения силы резонансного сигнала.