Ученые предлагают использовать чувствительный квантовый метод для непрямого поиска аксионов и аксионоподобных частиц. Об исследовании сообщает Китайская академия наук. Исследователи из Университета науки и технологий Китая и Института Гельмгольца в Майнце использовала спиновый усилитель для ограничения гипотетических колебаний аксионов в пределах «аксионного окна». Это поможет исследовать большое количество параметров гипотетических частиц.

Обмен аксионами между фермионами приводит к экзотическому диполь-дипольному взаимодействию, которое можно обнаружить в лабораторных экспериментах, объясняют ученые. В работе, опубликованной в журнале Physical Review Letters, исследователи использовали большой набор поляризованных электронов рубидия-87 и поляризованных ядерных спинов ксенона-129 в качестве двух видов фермионов.

В процессе обмена аксионами рубидий генерирует экзотический сигнал на ядерных спинах ксенона, а они уже используются для резонансного поиска сигнала. Исследователи показали, что долгоживущие спины ксенона-129 действуют как квантовый предусилитель, способный увеличить экзотический сигнал более чем в 40 раз для массы аксиона в пределах «аксионного окна» (от 0,03 мэВ до 1 мэВ). Повышение чувствительности в нужном диапазоне, как полагают авторы работы, увеличивают шансы исследования элементарных частиц.

Экспериментальная установка. Изображение: Yuanhong Wang et al., Physical Review Letters

Аксион — гипотетическая нейтральная псевдоскалярная элементарная частица, предсказанная теорией Печчеи — Квинн. Если аксионы существуют и имеют небольшую массу в определенном диапазоне, они представляют интерес как возможный компонент холодной темной материи. Эти частицы могут стать ключом к объяснению некоторых из самых глубоких загадок нашей Вселенной, таких как темная материя и нарушение зарядовой четности при сильных взаимодействиях.

Несколько недавних теорий предсказали, что массы аксионов, скорее всего, лежат в «аксионном окне» (0,01 мэВ – 1 мэВ). Однако существующие лабораторные эксперименты и астрофизические наблюдения в основном ищут эти частицы за пределами нужного диапазона.

Ученые отмечают, что метод использования квантового «усилителя» может также применяться для поиска других элементарных частиц за пределами Стандартной модели. Например, новых темных фотонов со спином 1.