Extreem lichte en zwak interagerende deeltjes kunnen een cruciale rol spelen in de kosmologie en in de voortdurende zoektocht naar donkere materie. Helaas, echter, deze deeltjes zijn tot nu toe zeer moeilijk te detecteren gebleken met behulp van bestaande hoogenergetische versnellers. Wereldwijd hebben onderzoekers daarom geprobeerd alternatieve technologieën en methoden te ontwikkelen die de detectie van deze deeltjes mogelijk zouden kunnen maken.

De afgelopen jaren is samenwerkingen tussen deeltjes- en atoomfysici die bij verschillende instituten wereldwijd werken, hebben geleid tot de ontwikkeling van een nieuwe techniek die kan worden gebruikt om interacties tussen zeer lichte bosonen en neutronen of elektronen te detecteren. lichte bosonen, in feite, zou de energieniveaus van elektronen in atomen en ionen moeten veranderen, een verandering die detecteerbaar zou kunnen zijn met behulp van de techniek die door deze teams van onderzoekers is voorgesteld.

Met behulp van deze methode, twee verschillende onderzoeksgroepen (een aan de universiteit van Aarhus in Denemarken en de andere aan het Massachusetts Institute of Technology) hebben onlangs experimenten uitgevoerd om aanwijzingen te verzamelen voor het bestaan ​​van donkere bosonen, ongrijpbare deeltjes die tot de meest veelbelovende kandidaten voor donkere materie of bemiddelaars voor een donkere sector behoren. Hun bevindingen, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , zou belangrijke implicaties kunnen hebben voor toekomstige experimenten met donkere materie.

theoretisch, interacties tussen deeltjes die nog nooit eerder zijn waargenomen, zoals bosonen, en andere veel voorkomende deeltjes (bijv. elektronen), moet worden weerspiegeld in een discrepantie tussen de overgangsfrequenties voorspeld door het standaardmodel en die gemeten in werkelijke atomen. Zelfs als natuurkundigen uiterst nauwkeurige frequentiemetingen kunnen verzamelen, op theorie gebaseerde berekeningen voor grote atomen zullen zo'n grote onzekerheidsmarge hebben dat ze niet betrouwbaar kunnen worden vergeleken met directe metingen.

"De truc die in eerdere werken werd gebruikt, was om frequentiemetingen uit te voeren van dezelfde overgangen in verschillende isotopen van het element an, en teruggaand naar een ansatz uit de jaren '60 (koning '63), "Elina Fuchs, een theoretisch fysicus bij Fermilab en de Universiteit van Chicago die samenwerkte met het team van de Universiteit van Aarhus, vertelde Phys.org. "Het verschil tussen dezelfde overgang in twee verschillende isotopen wordt isotopenverschuiving genoemd. Door ten minste drie van dergelijke isotopenverschuivingen van ten minste twee overgangen te vergelijken, men hoeft niet meer te vertrouwen op berekeningen van de frequenties in het Standaard Model. In plaats daarvan, onze methode gebruikt alleen de metingen, gerangschikt in 3 datapunten die elk een paar zijn van de twee gemeten overgangsfrequenties in een zogenaamde King-plot. Dan is de vraag heel simpel:Liggen de drie punten op een rechte lijn, zoals verwacht in het standaardmodel?"

De techniek die door het Aarhus-team wordt gebruikt, onder leiding van Michael Drewsen, evenals door het onderzoeksteam van het MIT onder leiding van Vladan Vuletic, omvat in wezen het onderzoek van isotoopverschuivingen gerangschikt in 4 datapunten. Als deze punten een rechte lijn vormen, de waarnemingen zijn afgestemd op het Standaardmodel, wat erop wijst dat er geen nieuwe fysica is ontdekt. Als ze niet in een rechte lijn staan, echter, dit zou kunnen duiden op de aanwezigheid van nieuwe bosonen of andere fysieke verschijnselen.

Als de niet-lineariteit die met deze methode wordt waargenomen, de foutbalken van het standaardmodel aanzienlijk overschrijdt, dan zouden de onderzoekers nieuwe grenzen moeten kunnen stellen aan de koppelingen en massa van het boson dat ze mogelijk hebben gedetecteerd. Echter, als het onverwacht groot is, de niet-lineariteit kan worden geassocieerd met een boson dat de energieniveaus van een elektron heeft verstoord of met andere fysieke verschijnselen die worden voorspeld door het standaardmodel en waarvan ook bekend is dat ze de lineariteit van isotoopverschuivingen doorbreken.

"Het zoeken naar nieuwe bosonen met behulp van niet-lineariteit van King-plots is een van een aantal zoekopdrachten naar nieuwe fysica die precisie-atomaire of moleculaire experimenten gebruiken in plaats van hoogenergetische botsers, "Julian Berengut, een andere theoreticus in het Aarhus-team, die werkt bij UNSW in Sydney, Australië, en voerde de recente studie uit, vertelde Phys.org. "Het idee achter al deze zoekopdrachten is dat met hoge precisie, je kunt subtiele effecten van deeltjes onderzoeken die je misschien niet gemakkelijk kunt detecteren in de botsers. Over het algemeen, deze experimenten zijn veel kleiner en veel goedkoper dan collider-experimenten, en ze bieden een complementaire aanpak. onze krant, evenals de aangrenzende van Vladan Vuletic's groep bij MIT, zijn echt de eerste speciale metingen die zijn verzameld met behulp van de niet-lineariteitsmethode van de King-plot."

Zowel de onderzoeksgroep van Vuletic als het team van Drewsen verzamelden hun metingen met behulp van een techniek die bekend staat als precisiespectroscopie. Deze techniek kan worden gebruikt om zeer nauwkeurige frequentiemetingen in atomen te verzamelen, bijvoorbeeld het opnemen van de frequenties die worden vertoond wanneer een atoom overgaat tussen verschillende toestanden. In hun experimenten, het team van MIT en de onderzoekers van de Universiteit van Aarhus onderzochten verschillende ionen:ytterbium- en calciumionen, respectievelijk.

"Ons belangrijkste doel was om te testen op nieuwe krachten die verder gaan dan de krachten die momenteel bekend zijn (zoals uiteengezet door het standaardmodel) en ze op een bepaald niveau uit te sluiten, "Vladan Vuletic, de onderzoeker die de groep aan het MIT leidde, vertelde Phys.org. "Deze test was al eerder gedaan, maar niet met de precisie die we bereikten. Gelijktijdig met ons werk, de groep onder leiding van Michael Drewsen in Denemarken mat soortgelijke overgangen ongeveer 10 keer nauwkeuriger, maar in een atoom met ongeveer 10 keer minder gevoeligheid voor nieuwe effecten dan het atoom dat we gebruiken, dus de gevoeligheid van ons experiment en het experiment van Drewsen waren min of meer hetzelfde."

Om effectief te zoeken naar donkere bosonen met behulp van de op precisiespectroscopie gebaseerde methode, natuurkundigen moeten optische overgangen meten in verschillende isotopen van hetzelfde element op 10 ¹⁵ Hz met een precisie van minder dan kHz (d.w.z. met een fractionele precisie van 1 deel in 10 ¹² of beter). Om dit te doen, de deeltjes die ze zullen onderzoeken, moeten worden opgesloten. Vuletic en zijn collega's vingen de ytterbium-ionen die ze gebruikten op in wat bekend staat als een 'Paul-val', met behulp van oscillerende elektrische velden. Ze onderzochten deze ionen met een zeer stabiele laser, die ze stabiliseerden met behulp van een optische resonator met sterk reflecterende spiegels.

"We hebben een isotoopfrequentie een half uur lang gemeten door de laserfrequentie te scannen, vervolgens overgestapt op een andere isotoop, gemeten gedurende 30 minuten, teruggeschakeld naar de eerste isotoop, en nam het gemiddelde van de metingen na elke werkdag, ' zei Vuletic. 'De volgende dag, we zouden een ander isotopenpaar meten, enzovoort."

Omdat ze zijn gebaseerd op zeer nauwkeurige metingen, de experimenten die zijn uitgevoerd door zowel de groep van Vuletic als van Drewsen zijn erg moeilijk uit te voeren. In feite, ze vereisen een goede controle over zowel ingesloten ionen als de verschillende laserbronnen die voor ionisatie worden gebruikt, koeling en spectroscopie.

Het team van de universiteit van Aarhus verzamelde nog nauwkeurigere metingen dan de groep van Vuletic, het bereiken van een ongekende precisie van 20 Hz op de ~ 2 THz zogenaamde D-fijne structuur splitsing in vijf Ca ⁺ isotopen, wat overeenkomt met een relatieve precisie van 10 ^-11 . In hun experimenten, ze gebruikten een aantal technologische hulpmiddelen en technieken die in de afgelopen eeuw zijn ontwikkeld, inclusief ionenvallen, laserkoelingsmethoden en een speciaal gereedschap dat bekend staat als femtoseconde frequentiekamlaser.

"De uitvinding van de zogenaamde femtoseconde frequentiekamlaser rond het jaar 2000 maakte het mogelijk om zeer nauwkeurig de elektronische energieniveaus van de D-fijne structuursplitsing te onderzoeken, met behulp van een methode die we onlangs hebben gedemonstreerd aan de universiteit van Aarhus, "Cyrille Solaro, een van de onderzoekers van de universiteit van Aarhus die de recente studie heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Hoewel qua omvang en investeringen niet vergelijkbaar met de enorme collectieve inspanningen bij CERN, het is opmerkelijk dat dergelijke 'tabletop'-experimenten kunnen bijdragen aan het onderzoeken van enkele van dezelfde fundamentele vragen in de wetenschap, voornamelijk gericht op lichtere deeltjes, en er is aanzienlijke experimentele vooruitgang geboekt in de korte tijdspanne van slechts enkele jaren."

Naast de opmerkelijke en ongeëvenaarde precisie, beide onderzoeksteams hebben 4 isotopenverschuivingen gemeten met 5 verschillende isotopen, terwijl eerdere studies metingen verzamelden voor maximaal 4 isotopen. uiteindelijk, hun experimenten stelden hen in staat om de binding van een nieuw boson aan elektronen en neutronen met een factor 30 te verbeteren in vergelijking met de vorige binding, die ook werd ingesteld op basis van een King-plot van isotopenverschuivingen (d.w.z. dezelfde techniek gebruiken).

"Onze sterk verbeterde binding is niet sterker dan de bestaande die is afgeleid van de combinatie van twee complementaire manieren om de koppelingen te testen (neutronenverstrooiing en het magnetische moment van het elektron), maar het benadrukt de snelle en significante vooruitgang die kan worden behaald met de King-plotmethode, "zei Fuchs. "Bovendien, we hebben gewezen op de realistische ruimte voor verdere verbetering van de grens als deze D-fijnstructuur-splitsingsovergang wordt gemeten in Ca, Ba- of Yb-ionen met de huidige of toekomstige precisie, waaruit blijkt dat tot nu toe niet-geteste koppelingen en massa's kunnen worden getest met de haalbare precisie van 10 mHz. Een dergelijke precisie zal ook een onafhankelijke test van de Be-anomalie mogelijk maken."

Hoewel de metingen die door het team van de universiteit van Aarhus werden verzameld lineair waren en dus in lijn waren met de voorspellingen van het standaardmodel, Het team van Vuletic nam een ​​afwijking van de lineariteit waar met een statistische significantie van 3 sigma. Hoewel deze afwijking zou kunnen voortvloeien uit aanvullende termen binnen het standaardmodel, het kan ook wijzen op het bestaan ​​van donkere bosonen.

"Er is voldoende bewijs dat er natuurkunde is die verder gaat dan het standaardmodel (bijv. we weten dat er donkere materie in het universum is), maar we hebben geen idee wat deze nieuwe fysica is, "Zei Vuletic. "Het is belangrijk om experimenteel in verschillende richtingen te zoeken om bepaalde mogelijkheden uit te sluiten, of als iemand extreem veel geluk heeft, om ergens nieuwe natuurkunde of een nieuw deeltje te vinden. We zoeken naar deeltjes in een tussenliggend massabereik, waar we eigenlijk een betere gevoeligheid hebben dan directe zoekopdrachten die deeltjesversnellers gebruiken, omdat we een buitengewone mate van controle hebben over het systeem op individueel atoom- en kwantumniveau."

Zowel het team van het MIT als de groep van de Universiteit van Aarhus zijn van plan om verder te zoeken naar donkere bosonen en andere kandidaten voor donkere materie met behulp van hoge-resolutiespectroscopie en via King-plots van isotopenverschuivingen. Hun werk zou uiteindelijk de weg kunnen banen naar de experimentele observatie van signalen die verband houden met donkere materie.

"We zullen nu onze zoektocht voortzetten met verbeterde precisie en op nieuwe overgangen waar de niet-lineariteiten naar verwachting nog groter zullen zijn, " Zei Vuletic. "Dit zal ons uiteindelijk in staat stellen om de bron van de niet-lineariteit die we hebben waargenomen te lokaliseren; of het afkomstig is van de nucleaire structuur, of zelfs van nieuwe fysica die voorheen onbekend was."

In hun volgende studies, het team van de universiteit van Aarhus zal proberen isotopenverschuivingen met nog grotere precisie te meten, omdat dit hen in staat zou kunnen stellen nieuwe grenzen te stellen of nieuwe afwijkingen van de voorspellingen van het standaardmodel te detecteren. In de tussentijd, de teamleden zullen ook verschillende andere onderwerpen blijven onderzoeken, variërend van het verbeteren van precisiespectroscopie en interferometrie tot botsfysica om de eigenschappen van het Higgs-deeltje te onderzoeken of om nieuwe zware deeltjes te zoeken.

"Vooral, we hebben contact gelegd met Prof. Hua Guan, aan de Chinese Academie van Wetenschappen in Wuhan, China, om een ​​samenwerking te starten gericht op het verbeteren van de Ca+ King plot gevoeligheid met een factor ~1000, "Michael Drewsen, die het team leidde in Aarhus, vertelde Phys.org. "Dit kan worden bereikt door een ~ 1000 keer preciezere meting van de D-fijne structuursplitsing uitgevoerd aan de Universiteit van Aarhus door gebruik te maken van kwantumverstrengeling van twee ionen van verschillende isotopen, en metingen van de SD-overgang met een relatieve precisie van 10 ^-17 door de Wuhan-groep."

Naast de experimentele methode die ze tot nu toe gebruikten, Fuchs en haar collega's van het Weizmann Institute of Science in Israël overwegen de mogelijkheid om isotopenverschuivingen van Rydberg-staten te meten. Deze alternatieve versie van hun experiment zou slechts twee isotopen vereisen.

"Ik ben buitengewoon hoopvol over de mogelijkheid om ons experiment te verbeteren door gebruik te maken van nieuw beschikbare precisiestudies in sterk geladen calciumionen, " concludeerde Berengut. "Met deze aanvullende gegevens, we moeten in staat zijn om eventuele systematische effecten te verwijderen en ervoor te zorgen dat we het meeste uit onze King-plots halen."

© 2020 Wetenschap X Netwerk