In de zoektocht naar nieuwe deeltjes en krachten in de natuur zijn natuurkundigen op jacht naar gedragingen binnen atomen en moleculen die verboden zijn door het beproefde standaardmodel van de deeltjesfysica. Eventuele afwijkingen van dit model zouden kunnen duiden op wat natuurkundigen liefkozend 'nieuwe natuurkunde' noemen.

Caltech assistent-professor natuurkunde Nick Hutzler en zijn groep streven naar specifieke soorten afwijkingen die zouden kunnen helpen het mysterie op te lossen waarom er zoveel materie in ons universum is. Toen ons universum ongeveer 14 miljard jaar geleden werd geboren, wordt aangenomen dat materie en zijn partner, antimaterie, in gelijke mate hebben bestaan.

Normaal gesproken heffen materie en antimaterie elkaar op, maar er bestond een soort asymmetrie tussen de verschillende soorten deeltjes, waardoor materie de overhand kreeg op antimaterie. De groep van Hutzler gebruikt tabletop-experimenten om te zoeken naar schendingen van de symmetrie – het afwijkende gedrag van deeltjes dat heeft geleid tot ons scheve, door materie gedomineerde universum.

Nu rapporteren we in Fysieke beoordelingsbrieven heeft het team, onder leiding van Chi Zhang, de David en Ellen Lee Postdoctoral Scholar Research Associate in Physics bij Caltech, een manier bedacht om hun onderzoek te verbeteren door gebruik te maken van verstrengeling, een fenomeen in de kwantumfysica waarbij twee afgelegen deeltjes zelfs zonder elkaar met elkaar verbonden kunnen blijven. direct contact hebben. De studie is getiteld "Quantum-Enhanced Metrology for Molecular Symmetry Violation Using Decoherence-Free Subspaces."

In dit geval ontwikkelden de onderzoekers een nieuwe methode voor het verstrengelen van reeksen moleculen, die dienen als sondes voor het meten van de symmetrieschendingen. Door de moleculen te verstrengelen worden de arrays minder gevoelig voor achtergrondgeluiden die het experiment kunnen verstoren en gevoeliger voor het gewenste signaal.

"Het is alsof je een stel rubberen eendjes aan elkaar verankert", zegt Hutzler. "Als je de beweging van de eendjes door een badkuip zou willen meten, zouden ze minder gevoelig zijn voor het achtergrondgeluid van opspattend water als je ze allemaal met elkaar zou verbinden. En ze zouden gevoeliger zijn voor iets dat je misschien wilt meten, zoals de stroom van water een stroming omdat ze er allemaal collectief op zouden reageren."

"We willen gevoelig zijn voor de structuur van de moleculen", zegt Zhang. "Ongecontroleerde elektrische en magnetische velden uit de experimentele opstelling hinderen onze metingen, maar nu hebben we een nieuw protocol om de moleculen zo te verstrengelen dat ze minder gevoelig worden voor ruis."

Meer specifiek kan deze nieuwe methode worden gebruikt om te zoeken naar kleine kantelingen in elektronen die kunnen optreden als reactie op elektrische velden in de moleculen. "De kleine rotaties zouden erop kunnen duiden dat elektronen of kernspins interageren met elektrische velden, en dat is verboden volgens het standaardmodel", zegt Hutzler.

"Andere benaderingen die verstrengeling gebruiken, zouden doorgaans de gevoeligheid voor ruis vergroten", voegt hij eraan toe. "Chi heeft een manier bedacht om de ruis te verminderen en ons toch een gevoeligheidswinst te geven door verstrengeling."

Een ander recent experimenteel onderzoek gepubliceerd in Science , onder leiding van Hutzler en John M. Doyle van de Harvard University, heeft aangetoond dat de polyatomaire moleculen die in dit soort onderzoeken worden gebruikt, andere unieke eigenschappen hebben om zichzelf te beschermen tegen elektromagnetische ruis, maar zonder de gevoeligheidsverhoging door verstrengeling.

In dat onderzoek lieten de onderzoekers zien dat ze de gevoeligheid van het molecuul voor externe velden kunnen afstemmen en de gevoeligheid zelfs kunnen laten verdwijnen, waardoor de moleculen grotendeels immuun worden voor ruis.

"Met de voordelen van verstrengeling kunnen onderzoekers deze experimenten stimuleren om steeds exotischere sectoren van de nieuwe natuurkunde te onderzoeken", zegt Hutzler.

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

Loïc Anderegg et al, Kwantumcontrole van gevangen polyatomaire moleculen voor eEDM-zoekopdrachten, Wetenschap (2023). DOI:10.1126/science.adg8155

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven , Wetenschap

Aangeboden door California Institute of Technology