Leder efter mørkt stof med universets koldeste materiale

Forskere har været i stand til at observere universet og fastslå, at omkring 80 % af dets masse ser ud til at være "mørkt stof, "som udøver en tyngdekraft, men ikke interagerer med lys, og kan derfor ikke ses med teleskoper. Vores nuværende forståelse af kosmologi og kernefysik antyder, at mørkt stof kan være lavet af aksioner, hypotetiske partikler med usædvanlige symmetriegenskaber.

I en ny artikel offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve og fremhævet som et redaktørforslag, ICFO-forskere Pau Gomez, Ferran Martin, Chiara Mazzinghi, Daniel Benedicto Orenes, og Silvana Palacios, ledet af ICREA Prof. ved ICFO Morgan W. Mitchell, rapport om, hvordan man søger efter aksioner ved hjælp af de unikke egenskaber ved Bose-Einstein-kondensater (BEC'er).

Aksionen, hvis det findes, ville indebære "eksotiske spin-afhængige kræfter." Magnetisme, den bedst kendte spin-afhængige kraft, får elektroner til at pege deres spin langs magnetfeltet, som en kompasnål, der peger mod nord. Magnetisme bæres af virtuelle fotoner, hvorimod "eksotiske" spin-afhængige kræfter ville blive båret af virtuelle aksioner (eller axion-lignende partikler). Disse kræfter ville virke på både elektroner og kerner, og ville blive produceret ikke kun af magneter, men også ved almindelig sag. For at vide om aksioner eksisterer, en god måde er at se og se, om kerner foretrækker at pege mod andet stof.

Adskillige eksperimenter leder allerede efter disse kræfter, ved hjælp af "komagnetometre, " som er parrede magnetiske sensorer på samme sted. Ved at sammenligne de to sensorers signaler, effekten af ​​det almindelige magnetfelt kan ophæves, efterlader kun effekten af ​​den nye kraft. Indtil nu, komagnetometre har kun været i stand til at lede efter spin-afhængige kræfter, der når omkring en meter eller mere. For at lede efter kortdistance spin-afhængige kræfter, et mindre komagnetometer er nødvendigt.

Bose Einstein-kondensater (BEC'er) er gasser, der afkøles næsten til det absolutte nulpunkt. Fordi BEC'er er superflydende, deres atomer kan frit rotere i flere sekunder uden friktion, hvilket gør dem usædvanligt følsomme over for både magnetiske felter og nye eksotiske kræfter. En BEC er også meget lille, omkring 10 mikrometer i størrelse. For at lave et BEC komagnetometer, imidlertid, kræver at løse et vanskeligt problem:hvordan man sætter to BEC-magnetometre i samme lille volumen.

I deres undersøgelse, Gomez og hans kolleger rapporterer, at de var i stand til at løse dette problem ved at bruge to forskellige interne tilstande af den samme 87Rb BEC, hver enkelt fungerer som et separat, men samplaceret magnetometer. Resultaterne af eksperimentet bekræfter den forudsagte høje immunitet over for støj fra det almindelige magnetfelt og evnen til at lede efter eksotiske kræfter med meget kortere rækkevidde end i tidligere eksperimenter. Udover at lede efter aksioner, teknikken kan også forbedre præcisionsmålinger af ultrakold kollisionsfysik og undersøgelser af kvantekorrelationer i BEC'er.