Wetenschappers hebben het universum kunnen observeren en hebben vastgesteld dat ongeveer 80% van zijn massa "donkere materie, " die een aantrekkingskracht uitoefent maar geen interactie heeft met licht, en dus niet te zien met telescopen. Ons huidige begrip van kosmologie en kernfysica suggereert dat donkere materie kan worden gemaakt van axionen, hypothetische deeltjes met ongebruikelijke symmetrie-eigenschappen.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven en gemarkeerd als suggestie van een redacteur, ICFO-onderzoekers Pau Gomez, Ferran Maarten, Chiara Mazzinghi, Daniël Benedicto Orenes, en Silvana Palacios, onder leiding van ICREA Prof. bij ICFO Morgan W. Mitchell, rapport over het zoeken naar axionen met behulp van de unieke eigenschappen van Bose-Einstein-condensaten (BEC's).

het axion, als het bestaat, zou impliceren "exotische spin-afhankelijke krachten." Magnetisme, de bekendste spinafhankelijke kracht, zorgt ervoor dat elektronen hun spins langs het magnetische veld richten, als een kompasnaald die naar het noorden wijst. Magnetisme wordt gedragen door virtuele fotonen, terwijl "exotische" spin-afhankelijke krachten zouden worden gedragen door virtuele axionen (of axion-achtige deeltjes). Deze krachten zouden inwerken op zowel elektronen als kernen, en zou niet alleen door magneten worden geproduceerd, maar ook door gewone materie. Om te weten of axions bestaan, een goede manier is om te kijken of kernen liever naar andere materie wijzen.

Verschillende experimenten zijn al op zoek naar deze krachten, met behulp van "comagnetometers, " die gekoppelde magnetische sensoren op dezelfde plaats zijn. Door de signalen van de twee sensoren te vergelijken, het effect van het gewone magnetische veld kan worden opgeheven, waardoor alleen het effect van de nieuwe kracht overblijft. Tot dusver, comagnetometers hebben alleen spinafhankelijke krachten kunnen zoeken die ongeveer een meter of meer reiken. Om spinafhankelijke krachten op korte afstand te vinden, een kleinere magnetometer nodig is.

Bose Einstein-condensaten (BEC's) zijn gassen die bijna tot het absolute nulpunt zijn afgekoeld. Omdat BEC's supervloeibaar zijn, hun samenstellende atomen kunnen gedurende enkele seconden zonder enige wrijving roteren, waardoor ze uitzonderlijk gevoelig zijn voor zowel magnetische velden als nieuwe exotische krachten. Een BEC is ook erg klein, ongeveer 10 micrometer groot. Om een ​​BEC-comagnetometer te maken, echter, vereist het oplossen van een lastig probleem:hoe twee BEC-magnetometers in hetzelfde kleine volume te plaatsen.

In hun studie hebben Gomez en zijn collega's melden dat ze dit probleem hebben kunnen oplossen door twee verschillende interne toestanden van dezelfde 87Rb BEC te gebruiken, elk fungeert als een afzonderlijke maar op dezelfde locatie geplaatste magnetometer. De resultaten van het experiment bevestigen de voorspelde hoge immuniteit voor ruis van het gewone magnetische veld en het vermogen om te zoeken naar exotische krachten met veel kortere afstanden dan in eerdere experimenten. Naast het zoeken naar axions, de techniek kan ook de precisiemetingen van ultrakoude botsingsfysica en studies van kwantumcorrelaties in BEC's verbeteren.