La configuración especial utiliza rubidio polarizado y xenón como sistema de transmisor y receptor para campos exóticos

1 de febrero de 2023

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por Universitaet Maguncia

En la búsqueda de nuevas fuerzas e interacciones más allá del Modelo Estándar, un equipo internacional de investigadores que involucra al Clúster de Excelencia PRISMA en la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (JGU) y al Instituto Helmholtz de Mainz ha dado un buen paso adelante. Los investigadores, entre ellos el Prof. Dr. Dmitry Budker, están utilizando una técnica de amplificación basada en resonancia magnética nuclear.

En su trabajo publicado recientemente en Science Advances, utilizan su configuración experimental para estudiar una interacción exótica particular entre espines: una interacción que viola la paridad mediada por una nueva partícula de intercambio hipotética, llamada bosón Z', que existe además del bosón Z. mediando la interacción débil en el modelo estándar.

En la configuración actual, no pudieron detectar esta partícula, pero pudieron aumentar la sensibilidad en cinco órdenes de magnitud en comparación con las mediciones anteriores. Esto permite a los investigadores establecer restricciones sobre la fuerza de la interacción de la nueva partícula de intercambio con las partículas del modelo estándar que son complementarias a las observaciones astrofísicas y abren una región previamente inaccesible.

Numerosas teorías predicen la existencia de interacciones exóticas más allá del Modelo Estándar. Difieren de las cuatro interacciones conocidas y están mediadas por partículas de intercambio previamente desconocidas. En particular, las interacciones que violan la paridad, es decir, donde se rompe la simetría especular, están experimentando actualmente un interés especial.

Por un lado, porque esto indicaría inmediatamente el tipo particular de nueva física que estamos tratando, y por otro lado, porque sus efectos son más fáciles de separar de los efectos sistemáticos espurios, que generalmente no muestran ruptura de simetría especular. "En el artículo actual, observamos de cerca una interacción de este tipo entre los espines de los electrones y los espines de los neutrones, mediada por un hipotético bosón Z'. En un mundo reflejado, esta interacción conduciría a un resultado diferente; la paridad es violado aquí", explica Dmitry Budker.

Este "resultado" se ve así: los giros de electrones dentro de una fuente están todos alineados en una dirección, es decir, polarizados, y la polarización se modula continuamente, creando así un campo exótico que se percibe como un campo magnético y se puede medir usando un sensor . En un mundo reflejado, el campo exótico no apuntaría en la misma dirección que se esperaría en una imagen especular "real", sino en la dirección opuesta: se viola la paridad de esta interacción.

"Amplificador de giro para la investigación de física de partículas", SAPPHIRE para abreviar, es lo que los investigadores han llamado a su configuración, que se basa en los dos elementos rubidio y xenón. Ya han utilizado esta técnica de forma similar para buscar otras interacciones exóticas y campos de materia oscura.

Específicamente, en la búsqueda experimental de interacciones espín-espín exóticas, dos cámaras llenas con el vapor de uno de los dos elementos se colocan muy cerca una de la otra: "En nuestro experimento, usamos espines de electrones polarizados de átomos de rubidio-87 como una fuente de espín y espines de neutrones polarizados del gas noble xenón, o más precisamente el isótopo xenón-129, como sensor de espín", dice Dmitry Budker.

El truco es que la estructura especial y los átomos de xenón polarizados en el sensor de espín inicialmente amplifican el campo generado en la fuente de rubidio: por lo tanto, el efecto desencadenado por un campo exótico potencial sería un factor de 200 mayor. Ahora entra en juego el principio de la resonancia magnética nuclear, es decir, el hecho de que los espines nucleares reaccionan a campos magnéticos que oscilan a una determinada frecuencia de resonancia. Los átomos de rubidio-87 también están presentes en una pequeña proporción en la celda del sensor para este propósito. A su vez, actúan como un magnetómetro extremadamente sensible para determinar la fuerza de la señal de resonancia.

La detección de un campo tan exótico en el rango de frecuencia adecuado sería entonces la clave de la nueva interacción que buscamos. Otros detalles experimentales especiales aseguran que la configuración sea particularmente sensible en el rango de frecuencia de interés y menos sensible a los efectos espurios de otros campos magnéticos que inevitablemente también surgen en el experimento.

"En general, esta es una configuración bastante compleja que ha requerido un diseño y una calibración cuidadosos. Es muy gratificante trabajar en problemas tan desafiantes e interesantes con nuestros colaboradores de mucho tiempo de la Universidad de Ciencia y Tecnología (USTC) en Hefei. , China, que acogió el experimento", informa Dmitry Budker.

Después de una prueba de principio exitosa, los científicos comenzaron la primera serie de mediciones para buscar la interacción exótica. Aunque aún no han podido encontrar una señal correspondiente después de 24 horas de mediciones, el aumento de cinco órdenes de magnitud en la sensibilidad les ha permitido establecer restricciones sobre la fuerza de la interacción de la nueva partícula de intercambio con las partículas del modelo estándar.

Una mayor optimización podría incluso mejorar la sensibilidad experimental a la interacción exótica especial en otros ocho órdenes de magnitud. Esto hace que parezca posible usar la configuración ultrasensible de SAPPHIRE para descubrir y estudiar una nueva física con bosones Z' potenciales.

Más información: Yuanhong Wang et al, Búsqueda de interacciones exóticas de violación de paridad con amplificadores de espín cuántico, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.ade0353

Información del diario:Avances de la ciencia

Proporcionado por Universitaet Mainz