Forskere observerer, hvad der kunne være de første antydninger af mørke bosoner

Ekstremt lette og svagt interagerende partikler kan spille en afgørende rolle i kosmologien og i den igangværende søgen efter mørkt stof. Desværre, imidlertid, disse partikler har hidtil vist sig at være meget vanskelige at påvise ved brug af eksisterende højenergikollidere. Forskere verden over har således forsøgt at udvikle alternative teknologier og metoder, der kunne gøre det muligt at påvise disse partikler.

I løbet af de sidste par år, samarbejder mellem partikel- og atomfysikere, der arbejder på forskellige institutter verden over, har ført til udviklingen af ​​en ny teknik, der kunne bruges til at detektere interaktioner mellem meget lette bosoner og neutroner eller elektroner. Lette bosoner, faktisk, skal ændre energiniveauet af elektroner i atomer og ioner, en ændring, der kunne spores ved hjælp af teknikken foreslået af disse forskerhold.

Ved at bruge denne metode, to forskellige forskergrupper (den ene ved Aarhus Universitet i Danmark og den anden ved Massachusetts Institute of Technology) udførte for nylig eksperimenter med det formål at indsamle antydninger om eksistensen af ​​mørke bosoner, undvigende partikler, der er blandt de mest lovende mørkt stof-kandidater eller mediatorer til en mørk sektor. Deres fund, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , kan have vigtige konsekvenser for fremtidige eksperimenter med mørkt stof.

Teoretisk set interaktioner mellem partikler, der aldrig er blevet observeret før, såsom bosoner, og andre almindelige partikler (f.eks. elektroner), bør afspejles i en uoverensstemmelse mellem overgangsfrekvenserne forudsagt af standardmodellen og dem, der måles i faktiske atomer. Selvom fysikere er i stand til at indsamle ekstremt præcise frekvensmålinger, teoribaserede beregninger for store atomer vil have så stor en usikkerhedsmargin, at de ikke kan sammenlignes pålideligt med direkte målinger.

"Tricket brugt i tidligere værker var at udføre frekvensmålinger af de samme overgange i flere isotoper af et element, og går tilbage til en ansatz fra 60'erne (King '63), "Elina Fuchs, en teoretisk fysiker ved Fermilab og University of Chicago, der samarbejdede med holdet på Aarhus Universitet, fortalte Phys.org. "Forskellen mellem den samme overgang i to forskellige isotoper kaldes isotopskift. Ved at sammenligne mindst tre sådanne isotopskift på mindst to overgange, man behøver ikke længere stole på beregninger af frekvenserne i Standardmodellen. I stedet, vores metode bruger kun målingerne, arrangeret i 3 datapunkter, der hver er et par af de to målte overgangsfrekvenser i et såkaldt King plot. Så er spørgsmålet ganske enkelt:Ligger de tre punkter på en lige linje, som forventet i standardmodellen?"

Teknikken brugt af Aarhus-holdet, ledet af Michael Drewsen, samt af forskerholdet på MIT ledet af Vladan Vuletic, indebærer i det væsentlige undersøgelse af isotopskift arrangeret i 4 datapunkter. Hvis disse punkter danner en ret linje, observationerne er tilpasset standardmodellen, hvilket tyder på, at der ikke blev opdaget nogen ny fysik. Hvis de ikke er i en lige linje, imidlertid, dette kunne antyde tilstedeværelsen af ​​nye bosoner eller andre fysiske fænomener.

Hvis den ikke-linearitet, der observeres ved brug af denne metode, væsentligt overstiger de fejlbjælker, der er angivet af standardmodellen, så burde forskerne være i stand til at sætte nye grænser for koblingerne og massen af ​​det boson, de måtte have påvist. Imidlertid, hvis den er uventet stor, ulineariteten kunne enten være forbundet med en boson, der forstyrrede en elektrons energiniveauer eller med andre fysiske fænomener forudsagt af standardmodellen, som også vides at bryde lineariteten af ​​isotopskift.

"At lede efter nye bosoner ved hjælp af King-plot-ulinearitet er en af ​​en række søgninger efter ny fysik, der bruger præcisions atomare eller molekylære eksperimenter frem for højenergikolliderere, " Julian Berengut, en anden teoretiker i Aarhus-teamet, der arbejder hos UNSW i Sydney, Australien, og udførte den nylige undersøgelse, fortalte Phys.org. "Idéen bag alle disse søgninger er, at med høj præcision, du kan undersøge subtile effekter fra partikler, som du måske ikke nemt kan opdage i kollidererne. Generelt, disse eksperimenter er meget mindre og langt billigere end kolliderende eksperimenter, og de giver en komplementær tilgang. Vores papir, samt den tilstødende fra Vladan Vuletics gruppe på MIT, er virkelig de første dedikerede målinger indsamlet ved hjælp af King plot ikke-linearitetsmetoden."

Både Vuletics forskergruppe og Drewsens team indsamlede deres målinger ved hjælp af en teknik kendt som præcisionsspektroskopi. Denne teknik kan bruges til at indsamle meget præcise frekvensmålinger i atomer, for eksempel registrering af de frekvenser, der udvises, når et atom skifter mellem forskellige tilstande. I deres eksperimenter, teamet på MIT og forskerne på Aarhus Universitet undersøgte forskellige ioner:ytterbium og calciumioner, henholdsvis.

"Vores hovedmål var at teste for nye kræfter ud over de nuværende kendte (som skitseret af standardmodellen) og udelukke dem på et vist niveau, " Vladan Vuletic, forskeren, der ledede gruppen på MIT, fortalte Phys.org. "Denne test var blevet lavet før, men ikke med den præcision, vi opnåede. Samtidig med vores arbejde, gruppen ledet af Michael Drewsen i Danmark målte lignende overgange omkring 10 gange mere præcist, men i et atom med omkring 10 gange mindre følsomhed over for nye effekter end det atom, vi bruger, så følsomheden af ​​vores eksperiment og Drewsens eksperiment endte med at blive mere eller mindre den samme."

For effektivt at udføre en søgning efter mørke bosoner ved hjælp af den præcisionsspektroskopi-baserede metode, fysikere skal måle optiske overgange i forskellige isotoper af det samme element ved 10 ¹⁵ Hz med en sub-kHz præcision (dvs. med en brøkpræcision på 1 del ud af 10 ¹² eller bedre). For at gøre dette, partiklerne, som de vil undersøge, bør fanges. Vuletic og hans kolleger fangede de ytterbium-ioner, de brugte i det, der er kendt som en 'Paul-fælde', ved hjælp af oscillerende elektriske felter. De undersøgte disse ioner med en meget stabil laser, som de stabiliserede ved hjælp af en optisk resonator med stærkt reflekterende spejle.

"Vi målte en isotopfrekvens i en halv time ved at scanne laserfrekvensen, skiftede derefter til en anden isotop, målt i 30 minutter, skiftet tilbage til den første isotop, og gennemsnittet af målingerne efter hver arbejdsdag, " sagde Vuletic. "Den næste dag, vi ville måle et andet isotoppar, og så videre."

Da de er baseret på målinger med meget høj præcision, eksperimenterne udført af både Vuletic og Drewsens grupper er meget vanskelige at udføre. Faktisk, de kræver god kontrol over både fangede ioner og de forskellige laserkilder, der bruges til ionisering, afkøling og spektroskopi.

Holdet på Aarhus Universitet indsamlede endnu mere præcise målinger end Vuletics gruppe, opnår en hidtil uset præcision på 20 Hz på den ~2 THz såkaldte D-fin struktur opdeling i fem Ca ⁺ isotoper, hvilket svarer til en relativ præcision på 10 ^-11 . I deres eksperimenter, de brugte en række teknologiske værktøjer og teknikker udviklet gennem det sidste århundrede, inklusive ionfælder, laserafkølingsmetoder og et særligt værktøj kendt som femtosekund frekvens kamlaser.

"Opfindelsen af ​​den såkaldte femtosekund-frekvenskamlaser omkring år 2000 er det, der gjorde det muligt at sondere meget præcist de elektroniske energiniveauer af D-finstrukturens opdeling, ved hjælp af en metode, som vi for nylig demonstrerede på Aarhus Universitet, "Cyrille Solaro, en af ​​forskerne ved Aarhus Universitet, der har udført den nylige undersøgelse, fortalte Phys.org. "Selvom det ikke kan sammenlignes med hensyn til størrelse og investeringer med den enorme kollektive indsats på CERN, det er bemærkelsesværdigt, at sådanne 'bordplade'-eksperimenter kan bidrage til at udforske nogle af de samme grundlæggende spørgsmål i videnskaben, primært rettet mod lettere partikler, og betydelige eksperimentelle fremskridt er sket på den korte tidsskala på kun få år."

Ud over den bemærkelsesværdige og uovertrufne præcision, begge forskerhold målte 4 isotopskift ved hjælp af 5 forskellige isotoper, mens tidligere undersøgelser indsamlede målinger for maksimalt 4 isotoper. Ultimativt, deres eksperimenter gjorde det muligt for dem at forbedre bindingen på koblingen af ​​en ny boson til elektroner og neutroner med en faktor på 30 sammenlignet med den tidligere binding, som også blev sat baseret på et King plot af isotopskift (dvs. ved at bruge samme teknik).

"Vores stærkt forbedrede binding er ikke stærkere end den eksisterende, der er afledt af kombinationen af ​​to komplementære måder at teste koblingerne på (neutronspredning og elektronens magnetiske moment), men det fremhæver de hurtige og betydelige fremskridt, der kan opnås med King plot-metoden, sagde Fuchs. Ydermere, vi påpegede det realistiske rum for yderligere forbedring af bundet, hvis denne D-fin-struktur opdelingsovergang måles i Ca, Ba- eller Yb-ioner ved den nuværende eller fremtidige præcision, viser, at hidtil utestede koblinger og masser kan testes med den gennemførlige præcision på 10 mHz. En sådan præcision vil også give mulighed for en uafhængig test af Be-anomalien."

Mens de målinger, der blev indsamlet af holdet på Aarhus Universitet, var lineære og dermed i overensstemmelse med standardmodellens forudsigelser, Vuletics hold observerede en afvigelse fra linearitet med en statistisk signifikans på 3 sigma. Selvom denne afvigelse kan stamme fra yderligere vilkår i standardmodellen, det kan også antyde eksistensen af ​​mørke bosoner.

"Der er rigeligt bevis for, at der er fysik ud over standardmodellen (f.eks. vi ved, at der er mørkt stof i universet), men vi aner ikke, hvad denne nye fysik består af, " sagde Vuletic. "Det er vigtigt at søge eksperimentelt i forskellige retninger for at udelukke visse muligheder, eller hvis man er ekstremt heldig, at finde ny fysik eller en ny partikel et eller andet sted. Vi leder efter partikler i et mellemmasseområde, hvor vi faktisk har bedre følsomhed end direkte søgninger, der bruger partikelacceleratorer, da vi har en ekstraordinær grad af kontrol over systemet på individ-atom- og kvanteniveau."

Både teamet på MIT og gruppen på Aarhus Universitet planlægger at foretage yderligere søgninger efter mørke bosoner og andre mørkt stof-kandidater ved hjælp af højopløsningsspektroskopi og gennem King-plot af isotopskift. Deres arbejde kunne i sidste ende bane vejen mod den eksperimentelle observation af signaler forbundet med mørkt stof.

"Vi vil nu fortsætte vores søgning med forbedret præcision og på nye overgange, hvor ulineariteterne forventes at være endnu større, " sagde Vuletic. "Dette vil i sidste ende give os mulighed for at udpege kilden til den ikke-linearitet, vi observerede; om det kommer fra den nukleare struktur, eller faktisk fra ny fysik, der tidligere var ukendt."

I deres næste undersøgelser, holdet på Aarhus Universitet vil forsøge at måle isotopskift med endnu større præcision, da dette kunne give dem mulighed for at sætte nye grænser eller opdage nye afvigelser fra standardmodellens forudsigelser. I mellemtiden, teammedlemmerne vil også blive ved med at udforske en række andre emner, lige fra forbedring af præcisionsspektroskopi og interferometri til kolliderfysik for at undersøge Higgs-bosonens egenskaber eller søge efter nye tunge partikler.

"I særdeleshed, vi har etableret kontakt med prof. Hua Guan, ved det kinesiske videnskabsakademi i Wuhan, Kina, for at indlede et samarbejde med det formål at forbedre Ca+ King-plotsens følsomhed med en faktor ~1000, "Michael Drewsen, der ledede holdet i Aarhus, fortalte Phys.org. "Dette kan opnås gennem en ~1000 gange mere præcis måling af D-fin strukturopdelingen udført på Aarhus Universitet ved at udnytte kvantesammenfiltring af to ioner af forskellige isotoper, og målinger af S-D-overgangen med en relativ præcision på 10 ^-17 af Wuhan-gruppen."

Ud over den eksperimentelle metode, de hidtil har brugt, Fuchs og hendes kolleger ved Weizmann Institute of Science i Israel overvejer muligheden for at måle isotopskift i Rydberg-stater. Denne alternative version af deres eksperiment ville kun kræve to isotoper.

"Jeg er ekstremt håbefuld med hensyn til muligheden for at forbedre vores eksperiment ved at drage fordel af nyligt tilgængelige præcisionsundersøgelser i højt ladede calciumioner, " konkluderede Berengut. "Med disse yderligere data, vi burde være i stand til at fjerne eventuelle potentielle systematiske effekter og sørge for, at vi får mest muligt ud af vores King-planer."

© 2020 Science X Network