La misurazione di piccoli spostamenti nelle frequenze di transizione in diversi isotopi dello stesso atomo può sondare l'esistenza di un'ipotetica particella di materia oscura, , che media un'interazione tra neutroni ed elettroni. Credito:Conteggi et al.
Particelle estremamente leggere e debolmente interagenti possono svolgere un ruolo cruciale nella cosmologia e nella continua ricerca della materia oscura. Sfortunatamente, però, queste particelle si sono finora rivelate molto difficili da rilevare utilizzando i collisori ad alta energia esistenti. I ricercatori di tutto il mondo hanno quindi cercato di sviluppare tecnologie e metodi alternativi che potrebbero consentire il rilevamento di queste particelle.
Negli ultimi anni, le collaborazioni tra fisici delle particelle e atomici che lavorano in diversi istituti in tutto il mondo hanno portato allo sviluppo di una nuova tecnica che potrebbe essere utilizzata per rilevare le interazioni tra bosoni molto leggeri e neutroni o elettroni. bosoni leggeri, infatti, dovrebbe cambiare i livelli di energia degli elettroni negli atomi e negli ioni, un cambiamento che potrebbe essere rilevabile utilizzando la tecnica proposta da questi team di ricercatori.
Usando questo metodo, due diversi gruppi di ricerca (uno presso l'Università di Aarhus in Danimarca e l'altro presso il Massachusetts Institute of Technology) hanno recentemente eseguito esperimenti volti a raccogliere indizi sull'esistenza di bosoni oscuri, particelle sfuggenti che sono tra i candidati o mediatori più promettenti della materia oscura per un settore oscuro. Le loro scoperte, pubblicato in Lettere di revisione fisica , potrebbe avere importanti implicazioni per futuri esperimenti sulla materia oscura.
Teoricamente, interazioni tra particelle mai osservate prima, come i bosoni, e altre particelle comuni (ad es. elettroni), dovrebbe riflettersi in una discrepanza tra le frequenze di transizione previste dal Modello Standard e quelle misurate in atomi reali. Anche se i fisici sono in grado di raccogliere misurazioni di frequenza estremamente precise, i calcoli basati sulla teoria per i grandi atomi avranno un margine di incertezza così ampio da non poter essere paragonati in modo affidabile alle misurazioni dirette.
"Il trucco usato nei lavori precedenti era eseguire misurazioni di frequenza delle stesse transizioni in diversi isotopi dell'elemento an, e tornando ad un ansatz degli anni '60 (King '63), "Elina Fuchs, un fisico teorico del Fermilab e dell'Università di Chicago che ha collaborato con il team dell'Università di Aarhus, ha detto a Phys.org. "La differenza tra la stessa transizione in due diversi isotopi è chiamata spostamento isotopico. Confrontando almeno tre di questi spostamenti isotopi di almeno due transizioni, non è più necessario fare affidamento sui calcoli delle frequenze nel Modello Standard. Anziché, il nostro metodo utilizza solo le misurazioni, disposti in 3 punti dati che sono ciascuno una coppia delle due frequenze di transizione misurate in un cosiddetto diagramma di King. Allora la domanda è abbastanza semplice:i tre punti giacciono su una linea retta, come previsto nel Modello Standard?"
La tecnica utilizzata dal team di Aarhus, guidato da Michael Drewsen, così come dal gruppo di ricerca del MIT guidato da Vladan Vuletic, comporta essenzialmente l'esame degli spostamenti isotopici disposti in 4 punti dati. Se questi punti formano una linea retta, le osservazioni sono allineate con il Modello Standard, che suggeriscono che non è stata rilevata alcuna nuova fisica. Se non sono in linea retta, però, questo potrebbe suggerire la presenza di nuovi bosoni o altri fenomeni fisici.
Se la non linearità osservata utilizzando questo metodo supera significativamente le barre di errore fissate dal Modello Standard, quindi i ricercatori dovrebbero essere in grado di stabilire nuovi limiti sugli accoppiamenti e sulla massa del bosone che potrebbero aver rilevato. Però, se è inaspettatamente grande, la non linearità potrebbe essere associata a un bosone che ha disturbato i livelli di energia di un elettrone o ad altri fenomeni fisici previsti dal Modello Standard che sono noti anche per rompere la linearità degli spostamenti degli isotopi.
"Cercare nuovi bosoni utilizzando la non linearità della trama di King è una delle numerose ricerche di nuova fisica che utilizzano esperimenti atomici o molecolari di precisione piuttosto che collisori ad alta energia, "Giuliano Berengut, un altro teorico del team di Aarhus, che lavora all'UNSW di Sydney, Australia, e condotto il recente studio, ha detto a Phys.org. "L'idea alla base di tutte queste ricerche è che con alta precisione, puoi sondare effetti sottili da particelle che potresti non essere facilmente in grado di rilevare nei collisori. In genere, questi esperimenti sono molto più piccoli e molto più economici degli esperimenti con collisore, e forniscono un approccio complementare. La nostra carta, così come quello adiacente del gruppo di Vladan Vuletic al MIT, sono davvero le prime misurazioni dedicate raccolte utilizzando il metodo di non linearità del diagramma di King."
Sia il gruppo di ricerca di Vuletic che il team di Drewsen hanno raccolto le loro misurazioni utilizzando una tecnica nota come spettroscopia di precisione. Questa tecnica può essere utilizzata per raccogliere misurazioni di frequenza molto precise negli atomi, per esempio registrando le frequenze esibite quando un atomo passa tra diversi stati. Nei loro esperimenti, il team del MIT e i ricercatori dell'Università di Aarhus hanno esaminato diversi ioni:itterbio e ioni calcio, rispettivamente.
"Il nostro obiettivo principale era testare nuove forze oltre a quelle attualmente note (come delineato dal Modello Standard) ed escluderle a un certo livello, "Vladan Vuletic, il ricercatore che ha guidato il gruppo al MIT, ha detto a Phys.org. "Questo test era stato fatto prima, ma non per la precisione che abbiamo raggiunto. Contemporaneamente al nostro lavoro, il gruppo guidato da Michael Drewsen in Danimarca ha misurato transizioni simili circa 10 volte più precisamente, ma in un atomo con circa 10 volte meno sensibilità ai nuovi effetti rispetto all'atomo che usiamo, quindi la sensibilità del nostro esperimento e quella di Drewsen hanno finito per essere più o meno la stessa".
Per condurre efficacemente una ricerca di bosoni oscuri utilizzando il metodo basato sulla spettroscopia di precisione, i fisici devono misurare le transizioni ottiche in diversi isotopi dello stesso elemento a 10 15 Hz con una precisione sub-kHz (cioè, con una precisione frazionaria di 1 parte in 10 12 o meglio). Per fare ciò, le particelle che esamineranno dovrebbero essere intrappolate. Vuletic e i suoi colleghi hanno intrappolato gli ioni itterbio che hanno usato in quella che è conosciuta come una "trappola di Paul", utilizzando campi elettrici oscillanti. Hanno sondato questi ioni con un laser molto stabile, che hanno stabilizzato utilizzando un risonatore ottico con specchi altamente riflettenti.
"Abbiamo misurato una frequenza isotopica per mezz'ora scansionando la frequenza laser, poi passato a un altro isotopo, misurato per 30 minuti, tornato al primo isotopo, e ho fatto la media delle misurazioni dopo ogni giornata di lavoro, "Vuletic ha detto. "Il giorno dopo, misureremmo un'altra coppia di isotopi, e così via."
Poiché si basano su misurazioni di altissima precisione, gli esperimenti condotti sia dai gruppi di Vuletic che da quelli di Drewsen sono molto difficili da eseguire. Infatti, richiedono un buon controllo sia sugli ioni intrappolati che sulle diverse sorgenti laser utilizzate per la ionizzazione, raffreddamento e spettroscopia.
Il team dell'Università di Aarhus ha raccolto misurazioni ancora più precise rispetto al gruppo di Vuletic, raggiungendo una precisione senza precedenti di 20 Hz sui ~2 THz cosiddetta struttura D-fine che divide in cinque Ca + isotopi, che corrisponde a una precisione relativa di 10 -11 . Nei loro esperimenti, hanno utilizzato una serie di strumenti e tecniche tecnologiche sviluppate nel secolo scorso, comprese le trappole ioniche, metodi di raffreddamento laser e uno strumento speciale noto come laser a pettine a frequenza di femtosecondi.
"L'invenzione del cosiddetto laser a pettine di frequenza a femtosecondi intorno all'anno 2000 è ciò che ha permesso di sondare in modo molto preciso i livelli di energia elettronica della scissione della struttura D-fine, utilizzando un metodo che abbiamo recentemente dimostrato all'Università di Aarhus, " Cirillo Solaro, uno dei ricercatori dell'Università di Aarhus che ha condotto il recente studio, ha detto a Phys.org. "Anche se non paragonabile in termini di dimensioni e investimenti agli enormi sforzi collettivi del CERN, è notevole che tali esperimenti "da tavolo" possano contribuire a esplorare alcune delle stesse domande fondamentali nella scienza, rivolgendosi principalmente a particelle più leggere, e significativi progressi sperimentali sono avvenuti nel breve lasso di tempo di pochi anni."
Oltre alla notevole e impareggiabile precisione, entrambi i gruppi di ricerca hanno misurato 4 spostamenti di isotopi utilizzando 5 diversi isotopi, mentre studi precedenti hanno raccolto misurazioni per un massimo di 4 isotopi. In definitiva, i loro esperimenti hanno permesso loro di migliorare il legame sull'accoppiamento di un nuovo bosone a elettroni e neutroni di un fattore 30 rispetto al legame precedente, che è stato anche impostato sulla base di un diagramma di King degli spostamenti degli isotopi (cioè, utilizzando la stessa tecnica).
"Il nostro legame fortemente migliorato non è più forte di quello esistente derivato dalla combinazione di due modi complementari di testare gli accoppiamenti (la diffusione dei neutroni e il momento magnetico dell'elettrone), ma mette in evidenza i rapidi e significativi progressi ottenibili con il metodo King plot, " Disse Fuchs. "Inoltre, abbiamo evidenziato lo spazio realistico per un ulteriore miglioramento del limite se questa transizione di scissione D-struttura fine è misurata in Ca, Ioni Ba o Yb alla precisione attuale o futura, dimostrando che accoppiamenti e masse finora non testati possono essere testati con la precisione fattibile di 10 mHz. Tale precisione consentirà anche un test indipendente dell'anomalia Be".
Mentre le misurazioni raccolte dal team dell'Università di Aarhus erano lineari e quindi allineate con le previsioni del Modello Standard, Il team di Vuletic ha osservato una deviazione dalla linearità con una significatività statistica di 3 sigma. Sebbene questa deviazione possa derivare da termini aggiuntivi all'interno del Modello Standard, può anche suggerire l'esistenza di bosoni oscuri.
"Ci sono ampie prove che ci sia fisica oltre il Modello Standard (ad es. sappiamo che c'è materia oscura nell'universo), ma non abbiamo idea di cosa costituisca questa nuova fisica, "Vuletic ha detto. "È importante cercare sperimentalmente in direzioni diverse per escludere certe possibilità, o se uno è estremamente fortunato, per trovare nuova fisica o una nuova particella da qualche parte. Stiamo cercando particelle in un intervallo di massa intermedio, dove abbiamo effettivamente una sensibilità migliore rispetto alle ricerche dirette che utilizzano acceleratori di particelle, poiché abbiamo uno straordinario grado di controllo sul sistema a livello individuale-atomo e quantistico".
Sia il team del MIT che il gruppo dell'Università di Aarhus hanno in programma di condurre ulteriori ricerche di bosoni oscuri e altri candidati alla materia oscura utilizzando la spettroscopia ad alta risoluzione e attraverso i grafici di King degli spostamenti degli isotopi. Il loro lavoro potrebbe in definitiva aprire la strada all'osservazione sperimentale dei segnali associati alla materia oscura.
"Ora continueremo la nostra ricerca con maggiore precisione e su nuove transizioni in cui le non linearità dovrebbero essere ancora maggiori, "Vuletic ha detto. "Questo alla fine ci permetterà di individuare la fonte della non linearità che abbiamo osservato; se proviene dalla struttura nucleare, o addirittura da una nuova fisica che era precedentemente sconosciuta."
Nei loro studi successivi, il team dell'Università di Aarhus cercherà di misurare gli spostamenti degli isotopi con una precisione ancora maggiore, in quanto ciò potrebbe consentire loro di stabilire nuovi limiti o rilevare nuove deviazioni dalle previsioni del Modello Standard. Nel frattempo, i membri del team continueranno anche ad esplorare una varietà di altri argomenti, che vanno dal miglioramento della spettroscopia di precisione e dell'interferometria alla fisica del collisore per studiare le proprietà del bosone di Higgs o cercare nuove particelle pesanti.
"In particolare, abbiamo stabilito un contatto con il Prof. Hua Guan, all'Accademia Cinese delle Scienze di Wuhan, Cina, al fine di avviare una collaborazione volta a migliorare la sensibilità della trama Ca+ King di un fattore ~1000, "Michael Drewsen, che ha guidato la squadra ad Aarhus, ha detto a Phys.org. "Ciò può essere ottenuto attraverso una misurazione ~ 1000 volte più precisa della scissione della struttura D-fine eseguita presso l'Università di Aarhus sfruttando l'entanglement quantistico di due ioni di diversi isotopi, e misurazioni della transizione S-D con una precisione relativa di 10 -17 dal gruppo di Wuhan".
Oltre al metodo sperimentale che hanno usato finora, Fuchs e i suoi colleghi del Weizmann Institute of Science in Israele stanno valutando la possibilità di misurare gli spostamenti degli isotopi degli stati di Rydberg. Questa versione alternativa del loro esperimento richiederebbe solo due isotopi.
"Sono estremamente fiducioso sulla possibilità di migliorare il nostro esperimento sfruttando gli studi di precisione appena disponibili in ioni di calcio altamente carichi, "Concluse Berengut. "Con questi dati aggiuntivi, dovremmo essere in grado di rimuovere qualsiasi potenziale effetto sistematico e assicurarci di ottenere il massimo dai nostri complotti King".
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