Att mäta små förändringar i övergångsfrekvenser i olika isotoper av samma atom kan undersöka förekomsten av en hypotetisk mörk materia partikel, ϕ, som förmedlar en interaktion mellan neutroner och elektroner. Kredit:Counts et al.
Extremt lätta och svagt interagerande partiklar kan spela en avgörande roll i kosmologin och i det pågående sökandet efter mörk materia. Tyvärr, dock, dessa partiklar har hittills visat sig vara mycket svåra att upptäcka med befintliga högenergikolliderare. Forskare över hela världen har alltså försökt utveckla alternativa tekniker och metoder som skulle kunna möjliggöra detektering av dessa partiklar.
Under de senaste åren, samarbeten mellan partikel- och atomfysiker som arbetar vid olika institut världen över har lett till utvecklingen av en ny teknik som kan användas för att upptäcka interaktioner mellan mycket lätta bosoner och neutroner eller elektroner. Lätta bosoner, faktiskt, bör ändra energinivåerna för elektroner i atomer och joner, en förändring som skulle kunna upptäckas med den teknik som föreslagits av dessa forskarlag.
Med denna metod, två olika forskargrupper (en vid Aarhus Universitet i Danmark och den andra vid Massachusetts Institute of Technology) genomförde nyligen experiment som syftade till att samla in antydningar om förekomsten av mörka bosoner, svårfångade partiklar som är bland de mest lovande kandidaterna för mörk materia eller förmedlare till en mörk sektor. Deras fynd, publicerad i Fysiska granskningsbrev , kan få viktiga konsekvenser för framtida experiment med mörk materia.
Teoretiskt sett, interaktioner mellan partiklar som aldrig har observerats tidigare, såsom bosoner, och andra vanliga partiklar (t.ex. elektroner), bör återspeglas i en diskrepans mellan övergångsfrekvenserna som förutsägs av standardmodellen och de som mäts i faktiska atomer. Även om fysiker kan samla in extremt exakta frekvensmätningar, teoribaserade beräkningar för stora atomer kommer att ha en så stor osäkerhetsmarginal att de inte kan jämföras tillförlitligt med direkta mätningar.
"Knepet som användes i tidigare arbeten var att utföra frekvensmätningar av samma övergångar i flera isotoper av ett element, och går tillbaka till en ansatz från 60-talet (King '63), "Elina Fuchs, en teoretisk fysiker vid Fermilab och University of Chicago som samarbetade med teamet vid Aarhus Universitet, berättade för Phys.org. "Skillnaden mellan samma övergång i två olika isotoper kallas isotopskift. Genom att jämföra minst tre sådana isotopskift av minst två övergångar, man behöver inte längre förlita sig på beräkningar av frekvenserna i Standardmodellen. Istället, vår metod använder bara måtten, arrangerade i 3 datapunkter som var och en är ett par av de två uppmätta övergångsfrekvenserna i en så kallad King-plot. Då är frågan ganska enkel:Ligger de tre punkterna på en rak linje, som förväntat i standardmodellen?"
Tekniken som används av Århus-teamet, ledd av Michael Drewsen, såväl som av forskargruppen vid MIT ledd av Vladan Vuletic, innebär i huvudsak undersökning av isotopförskjutningar ordnade i 4 datapunkter. Om dessa punkter bildar en rät linje, observationerna är i linje med standardmodellen, vilket tyder på att ingen ny fysik upptäcktes. Om de inte är i en rak linje, dock, detta kan antyda förekomsten av nya bosoner eller andra fysiska fenomen.
Om den olinjäritet som observeras med denna metod avsevärt överstiger de felstaplar som anges av standardmodellen, då borde forskarna kunna sätta nya gränser för kopplingarna och massan av det boson de kan ha upptäckt. Dock, om det är oväntat stort, olinjäriteten kan antingen vara associerad med en boson som störde en elektrons energinivåer eller med andra fysiska fenomen som förutspås av standardmodellen som också är kända för att bryta linjäriteten hos isotopskiften.
"Att leta efter nya bosoner med hjälp av King-plots-olinjäritet är en av ett antal sökningar efter ny fysik som använder precisions atomära eller molekylära experiment snarare än högenergikolliderare, " Julian Berengut, en annan teoretiker i Århus-teamet, som arbetar på UNSW i Sydney, Australien, och genomförde den senaste studien, berättade för Phys.org. "Tanken bakom alla dessa sökningar är att med hög precision, du kan undersöka subtila effekter från partiklar som du kanske inte lätt kan upptäcka i kolliderarna. Rent generellt, dessa experiment är mycket mindre och mycket billigare än kolliderande experiment, och de ger ett kompletterande tillvägagångssätt. Vår tidning, såväl som den intilliggande från Vladan Vuletics grupp vid MIT, är verkligen de första dedikerade mätningarna som samlats in med hjälp av King plot olinjäritetsmetoden."
Både Vuletics forskargrupp och Drewsens team samlade in sina mätningar med en teknik som kallas precisionsspektroskopi. Denna teknik kan användas för att samla in mycket exakta frekvensmätningar i atomer, till exempel att registrera de frekvenser som visas när en atom övergår mellan olika tillstånd. I deras experiment, teamet vid MIT och forskarna vid Aarhus Universitet undersökte olika joner:ytterbium- och kalciumjoner, respektive.
"Vårt huvudmål var att testa för nya krafter utöver de som för närvarande är kända (som beskrivs av standardmodellen) och utesluta dem på en viss nivå, " Vladan Vuletic, forskaren som ledde gruppen vid MIT, berättade för Phys.org. "Det här testet hade gjorts tidigare, men inte med den precision vi uppnådde. Samtidigt med vårt arbete, gruppen ledd av Michael Drewsen i Danmark mätte liknande övergångar cirka 10 gånger mer exakt, men i en atom med ungefär 10 gånger mindre känslighet för nya effekter än den atom vi använder, så känsligheten i vårt experiment och Drewsens experiment blev mer eller mindre densamma."
För att effektivt genomföra en sökning efter mörka bosoner med den precisionsspektroskopibaserade metoden, fysiker måste mäta optiska övergångar i olika isotoper av samma element vid 10 15 Hz med en sub-kHz precision (dvs. med en bråkdelprecision på 1 del av 10 12 eller bättre). För att göra detta, partiklarna som de kommer att undersöka bör fångas in. Vuletic och hans kollegor fångade ytterbiumjonerna de använde i vad som kallas en "Paul-fälla", med hjälp av oscillerande elektriska fält. De sonderade dessa joner med en mycket stabil laser, som de stabiliserade med hjälp av en optisk resonator med högreflekterande speglar.
"Vi mätte en isotopfrekvens under en halvtimme genom att skanna laserfrekvensen, bytte sedan till en annan isotop, mätt i 30 minuter, bytte tillbaka till den första isotopen, och beräknade medelvärdena efter varje arbetsdag, " sa Vuletic. "Nästa dag, vi skulle mäta ett annat isotoppar, och så vidare."
Eftersom de är baserade på mycket högprecisionsmätningar, de experiment som utförs av både Vuletic och Drewsens grupper är mycket svåra att utföra. Faktiskt, de kräver god kontroll över både fångade joner och de olika laserkällorna som används för jonisering, kylning och spektroskopi.
Teamet vid Aarhus Universitet samlade in ännu mer exakta mätningar än Vuletics grupp, nå en aldrig tidigare skådad precision på 20 Hz på ~2 THz så kallade D-finstrukturen uppdelning i fem Ca + isotoper, vilket motsvarar en relativ precision på 10 -11 . I deras experiment, de använde ett antal tekniska verktyg och tekniker som utvecklats under det senaste århundradet, inklusive jonfällor, laserkylningsmetoder och ett specialverktyg känt som femtosekundfrekvenskamlaser.
"Uppfinningen av den så kallade femtosekundfrekvenskamlasern runt år 2000 är det som gjorde det möjligt att mycket exakt undersöka de elektroniska energinivåerna i den D-finstruktursdelning, med en metod som vi nyligen demonstrerade vid Aarhus Universitet, "Cyrille Solaro, en av forskarna vid Aarhus Universitet som genomförde den senaste studien, berättade för Phys.org. "Även om det inte är jämförbart vad gäller storlek och investeringar med de enorma kollektiva ansträngningarna på CERN, det är anmärkningsvärt att sådana "bordsexperiment" kan bidra till att utforska några av samma grundläggande frågor inom vetenskapen, främst för lättare partiklar, och betydande experimentella framsteg har skett på den korta tidsskalan på bara några år."
Förutom den anmärkningsvärda och oöverträffade precisionen, båda forskarlagen mätte 4 isotopskift med 5 olika isotoper, medan tidigare studier samlat in mätningar för maximalt 4 isotoper. I sista hand, deras experiment gjorde det möjligt för dem att förbättra kopplingen av en ny boson till elektroner och neutroner med en faktor 30 jämfört med den tidigare gränsen, som också sattes baserat på en King-plot av isotopskiften (dvs. med samma teknik).
"Vår starkt förbättrade bindning är inte starkare än den befintliga som härrör från kombinationen av två komplementära sätt att testa kopplingarna (neutronspridning och elektronens magnetiska moment), men det belyser de snabba och betydande framsteg som kan uppnås med King plot-metoden, sade Fuchs. Dessutom, vi påpekade det realistiska utrymmet för ytterligare förbättring av gränsen om denna D-finstruktursdelningsövergång mäts i Ca, Ba- eller Yb-joner vid nuvarande eller framtida precision, visar att hittills oprövade kopplingar och massor kan testas med den möjliga precisionen på 10 mHz. En sådan precision kommer också att möjliggöra ett oberoende test av Be-avvikelsen."
Även om mätningarna som samlades in av teamet vid Aarhus Universitet var linjära och därmed i linje med standardmodellens förutsägelser, Vuletics team observerade en avvikelse från linjäritet med en statistisk signifikans på 3 sigma. Även om denna avvikelse kan bero på ytterligare villkor inom standardmodellen, det kan också antyda att det finns mörka bosoner.
"Det finns gott om bevis för att det finns fysik bortom standardmodellen (t.ex. vi vet att det finns mörk materia i universum), men vi har ingen aning om vad som utgör denna nya fysik, " sa Vuletic. "Det är viktigt att söka experimentellt i olika riktningar för att utesluta vissa möjligheter, eller om man har extrem tur, att hitta ny fysik eller en ny partikel någonstans. Vi letar efter partiklar i ett mellanliggande massintervall, där vi faktiskt har bättre känslighet än direktsökningar som använder partikelacceleratorer, eftersom vi har en extraordinär grad av kontroll över systemet på individ-atom- och kvantnivå."
Både teamet vid MIT och gruppen vid Aarhus Universitet planerar att genomföra ytterligare sökningar efter mörka bosoner och andra kandidater för mörk materia med hjälp av högupplöst spektroskopi och genom King-plots av isotopskiften. Deras arbete kan i slutändan bana väg för experimentell observation av signaler associerade med mörk materia.
"Vi kommer nu att fortsätta vårt sökande med förbättrad precision och på nya övergångar där olinjäriteterna förväntas bli ännu större, " Vuletic sa. "Detta kommer i slutändan att tillåta oss att lokalisera källan till den olinjäritet vi observerade; om det kommer från kärnkraftsstrukturen, eller faktiskt från ny fysik som tidigare var okänd."
I sina nästa studier, Teamet vid Aarhus Universitet kommer att försöka mäta isotopskiften med ännu större precision, eftersom detta kan tillåta dem att sätta nya gränser eller upptäcka nya avvikelser från standardmodellens förutsägelser. Under tiden, teammedlemmarna kommer också att fortsätta utforska en mängd andra ämnen, allt från att förbättra precisionsspektroskopi och interferometri till kolliderfysik för att undersöka egenskaperna hos Higgs-bosonen eller söka efter nya tunga partiklar.
"Särskilt, vi har etablerat kontakt med prof. Hua Guan, vid den kinesiska vetenskapsakademin i Wuhan, Kina, för att inleda ett samarbete som syftar till att förbättra Ca+ King-tomtens känslighet med en faktor ~1000, "Michael Drewsen, som ledde teamet i Aarhus, berättade för Phys.org. "Detta kan uppnås genom en ~ 1000 gånger mer exakt mätning av D-finstrukturdelningen utförd vid Aarhus Universitet genom att utnyttja kvantintrassling av två joner av olika isotoper, och mätningar av S-D-övergången med en relativ precision på 10 -17 av Wuhan-gruppen."
Förutom den experimentella metod de hittills använt, Fuchs och hennes kollegor vid Weizmann Institute of Science i Israel överväger möjligheten att mäta isotopförskjutningar i Rydberg-stater. Denna alternativa version av deras experiment skulle bara kräva två isotoper.
"Jag är extremt hoppfull om möjligheten att förbättra vårt experiment genom att dra nytta av nyligen tillgängliga precisionsstudier i högladdade kalciumjoner, " avslutade Berengut. "Med dessa ytterligare data, vi borde kunna ta bort alla potentiella systematiska effekter och se till att vi får ut det mesta av våra King-planer."
© 2020 Science X Network
