Forskere foreslår en ny metode til at søge efter afvigelser fra fysikkens standardmodel

I søgen efter nye partikler og kræfter i naturen er fysikere på jagt efter adfærd inden for atomer og molekyler, som er forbudt af den gennemprøvede standardmodel for partikelfysik. Enhver afvigelse fra denne model kunne indikere, hvad fysikere kærligt omtaler som "ny fysik."

Caltech assisterende professor i fysik Nick Hutzler og hans gruppe er i jagten på specifikke former for afvigelser, der ville hjælpe med at løse mysteriet om, hvorfor der er så meget stof i vores univers. Da vores univers blev født for omkring 14 milliarder år siden, menes stof og dets partner, antistof, at have eksisteret i lige stor grad.

Typisk ophæver stof og antistof hinanden, men der eksisterede en form for asymmetri mellem de forskellige typer partikler for at få stof til at vinde over antistof. Hutzlers gruppe bruger bordpladeeksperimenter til at lede efter symmetriovertrædelser – den afvigende partikeladfærd, der førte til vores skæve stofdominerede univers.

Nu, rapportering i Physical Review Letters , holdet, ledet af Chi Zhang, David og Ellen Lee Postdoctoral Scholar Research Associate in Physics ved Caltech, har fundet ud af en måde at forbedre deres studier ved at bruge entanglement, et fænomen i kvantefysik, hvor to fjerntliggende partikler kan forblive forbundet selv uden være i direkte kontakt. Undersøgelsen har titlen "Quantum-Enhanced Metrology for Molecular Symmetri Violation using Decoherence-Free Subspaces."

I dette tilfælde udviklede forskerne en ny metode til at sammenfiltre arrays af molekyler, som tjener som sonder til måling af symmetriovertrædelserne. Ved at sammenfiltre molekylerne bliver arrays mindre følsomme over for baggrundsstøj, der kan forstyrre eksperimentet, og mere følsomme over for det ønskede signal.

"Det er som at forankre en flok gummiænder sammen," siger Hutzler. "Hvis du ville måle ændernes bevægelse hen over et kar, ville de være mindre følsomme over for baggrundsstøjen fra sprøjtende vand, hvis du tilsluttede dem helt. Og de ville være mere følsomme over for noget, du måske vil måle som f.eks. en strøm, da de alle ville reagere på det kollektivt."

"Vi ønsker at være følsomme over for strukturen af ​​molekylerne," siger Zhang. "Ukontrollerede elektriske og magnetiske felter fra forsøgsopstillingen kommer i vejen for vores målinger, men nu har vi en ny protokol til at sammenfiltre molekylerne på en sådan måde, at de bliver mindre følsomme over for støj."

Mere specifikt kan denne nye metode bruges til at lede efter små hældninger i elektroner, der kan opstå som reaktion på elektriske felter i molekylerne. "De små rotationer ville indikere, at elektroner eller nukleare spins interagerer med elektriske felter, og det er forbudt ifølge standardmodellen," siger Hutzler.

"Andre tilgange, der bruger sammenfiltring, vil typisk øge følsomheden over for støj," tilføjer han. "Chi har fundet ud af en måde at reducere støjen på, mens han stadig giver os en følsomhedsforøgelse fra sammenfiltring."

En anden nylig eksperimentel undersøgelse offentliggjort i Science , ledet af Hutzler og John M. Doyle fra Harvard University, viste, at de polyatomiske molekyler, der bruges i denne slags undersøgelser, har andre unikke evner til at beskytte sig selv mod elektromagnetisk støj, dog uden følsomhedsforøgelsen fra sammenfiltring.

I den undersøgelse viste forskerne, at de kan justere molekylets følsomhed over for eksterne felter og faktisk få følsomheden til at forsvinde, og derved gøre molekylerne stort set immune over for støj.

"Med fordelene ved sammenfiltring kan forskere skubbe disse eksperimenter til at undersøge stadigt mere eksotiske sektorer af ny fysik," siger Hutzler.

Flere oplysninger: Chi Zhang et al., Quantum-Enhanced Metrology for Molecular Symmetri Violation Using Decoherence-Free Subspaces, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.193602

Loïc Anderegg et al., Kvantekontrol af fangede polyatomiske molekyler til eEDM-søgninger, Science (2023). DOI:10.1126/science.adg8155

Journaloplysninger: Physical Review Letters , Videnskab

Leveret af California Institute of Technology