I sökandet efter nya partiklar och krafter i naturen är fysiker på jakt efter beteenden inom atomer och molekyler som är förbjudna enligt den beprövade standardmodellen för partikelfysik. Alla avvikelser från denna modell kan indikera vad fysiker kärleksfullt kallar "ny fysik."

Caltech biträdande professor i fysik Nick Hutzler och hans grupp är i jakten på specifika typer av avvikelser som skulle hjälpa till att lösa mysteriet om varför det finns så mycket materia i vårt universum. När vårt universum föddes för cirka 14 miljarder år sedan tros materia och dess partner, antimateria, ha existerat i lika stor utsträckning.

Typiskt tar materia och antimateria ut varandra, men någon form av asymmetri existerade mellan de olika typerna av partiklar för att få materia att vinna över antimateria. Hutzlers grupp använder bordsexperiment för att leta efter symmetriöverträdelser – de avvikande partikelbeteenden som ledde till vårt skeva materiedominerade universum.

Nu, rapportering i Physical Review Letters , har teamet, ledd av Chi Zhang, David och Ellen Lee Postdocs Research Associate in Physics vid Caltech, hittat ut ett sätt att förbättra sina studier genom att använda entanglement, ett fenomen inom kvantfysik där två avlägsna partiklar kan förbli sammankopplade även utan vara i direkt kontakt. Studien har titeln "Quantum-Enhanced Metrology for Molecular Symmetry Violation using Decoherence-Free Subspaces."

I det här fallet utvecklade forskarna en ny metod för att trassla in arrayer av molekyler, som fungerar som sonder för att mäta symmetriöverträdelserna. Genom att trassla in molekylerna blir arrayerna mindre känsliga för bakgrundsljud som kan störa experimentet och mer känsliga för den önskade signalen.

"Det är som att förankra ett gäng gummiankor tillsammans", säger Hutzler. "Om du ville mäta ankornas rörelse över ett badkar, skulle de vara mindre känsliga för bakgrundsljudet från stänkande vatten om du kopplade ihop dem helt och hållet. Och de skulle vara känsligare för något du kanske vill mäta som flödet av en ström eftersom de alla skulle svara på det kollektivt."

"Vi vill vara känsliga för strukturen av molekylerna," säger Zhang. "Okontrollerade elektriska och magnetiska fält från experimentupplägget kommer i vägen för våra mätningar, men nu har vi ett nytt protokoll för att trassla in molekylerna på ett sådant sätt att de blir mindre känsliga för brus."

Mer specifikt kan denna nya metod användas för att leta efter små lutningar i elektroner som kan uppstå som svar på elektriska fält i molekylerna. "De lätta rotationerna skulle indikera att elektroner eller kärnspinn interagerar med elektriska fält, och det är förbjudet enligt standardmodellen", säger Hutzler.

"Andra tillvägagångssätt som använder intrassling skulle vanligtvis öka känsligheten för brus," tillägger han. "Chi har hittat ut ett sätt att minska bruset samtidigt som vi får en känslighetsvinst från intrassling."

En annan nyligen experimentell studie publicerad i Science , ledd av Hutzler och John M. Doyle från Harvard University, visade att de polyatomiska molekyler som används i dessa typer av studier har andra unika förmågor att skydda sig från elektromagnetiskt brus, dock utan känslighetsökningen från intrassling.

I den studien visade forskarna att de kan ställa in molekylens känslighet för yttre fält och i själva verket få känsligheten att försvinna, vilket gör molekylerna till stor del immuna mot brus.

"Med fördelarna med intrassling kan forskare driva dessa experiment för att undersöka allt mer exotiska sektorer av ny fysik," säger Hutzler.

Mer information: 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, Kvantkontroll av fångade polyatomiska molekyler för eEDM-sökningar, Science (2023). DOI:10.1126/science.adg8155

Journalinformation: Fysiska granskningsbrev , Vetenskap

Tillhandahålls av California Institute of Technology