Magnetfältsförstärkning av spinsensorn. (a) Principen för att använda spinsensorn för att söka efter exotiska interaktioner. Signalen från det pseudomagnetiska fältet förstärks av 129 Xe-baserad förstärkare, genererar ett effektivt magnetfält Beff uppläst av 87 Rb snurrar. (b) Förstärkningsfaktorn 43,5±0,8 är kalibrerad vid frekvenser omkring 9,00, 9,50, 10,00, 10,50, 11,00 Hz. (c) Den förbättrade magnetiska känsligheten når 22,3 fT/Hz 1/2 vid resonansfrekvens 10,00 Hz. Kredit:Physical Review Letters (2022). DOI:10.1103/PhysRevLett.129.051801
Ännu att upptäcka axioner och axionliknande partiklar kan vara nyckeln till att förklara några av de djupaste pusselna i vårt universum, såsom mörk materia och laddningsparitetsbrott i starka interaktioner. Flera nya teorier har förutspått att massorna av axioner troligen ligger inom det välmotiverade "axionsfönstret" (0,01 meV–1 meV). Befintliga laboratoriesökningar och astrofysiska observationer söker dock mestadels efter axionerna utanför axionsfönstret.
Forskargruppen ledd av Prof. Peng Xinhua från University of Science and Technology of China (USTC) vid den kinesiska vetenskapsakademin, i samarbete med Prof. Dmitry Budker från Helmholtz Institution i Mainz, använde en nyligen utvecklad spin-baserad förstärkare för att begränsa hypotetiska axioner inom axionsfönstret, vilket ger ett sätt att utforska lovande parameterutrymme. Studien publicerades i Physical Review Letters .
Utbytet av axioner mellan fermioner resulterar i en exotisk dipol-dipol-interaktion som kan detekteras genom laboratorieexperiment. I detta arbete använde forskarna en stor samling polariserade rubidium-87-elektroner och polariserade xeon-129-kärnspinn som två typer av fermioner. På grund av utbytet av axioner kan rubidium generera den exotiska signalen på xeon-kärnspinn, och sedan används de polariserade xeon-129-kärnspinnerna för att resonant söka efter signalen.
Forskarna visade i synnerhet att de långlivade xeon-129-snurren fungerar som en kvantförförstärkare, som kan förstärka den exotiska signalen med en faktor på mer än 40. Genom att använda en sådan teknik gav de de strängaste begränsningarna för neutronelektroner koppling förmedlad av axioner för axionsmassan från 0,03 meV till 1 meV inom axionsfönstret.
Detta arbete tillhandahåller en känslig kvantteknik för att realisera de indirekta axionssökningarna med en nyligen utvecklad spin-baserad förstärkare, vilket är en avsevärd förbättring av känsligheten i ett teoretiskt intressant massområde för axioner. Det spinnbaserade förstärkarschemat, som en ny implementering, utökar kapaciteten för spinnmätningar och kan ytterligare tillämpas för att resonant söka efter hypotetiska partiklar bortom standardmodellen, såsom nya spin-1 mörka fotoner. + Utforska vidare
