Una configurazione speciale utilizza rubidio polarizzato e xeno come sistema trasmettitore e ricevitore per campi esotici

1 febbraio 2023

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dall'Universitaet Mainz

Nella ricerca di nuove forze e interazioni oltre il Modello Standard, un team internazionale di ricercatori che coinvolge il PRISMA Cluster of Excellence dell’Università Johannes Gutenberg di Magonza (JGU) e l’Istituto Helmholtz di Magonza ha ora fatto un buon passo avanti. I ricercatori, tra cui il Prof. Dr. Dmitry Budker, utilizzano una tecnica di amplificazione basata sulla risonanza magnetica nucleare.

Nel loro lavoro recentemente pubblicato su Science Advances, usano il loro apparato sperimentale per studiare una particolare interazione esotica tra gli spin: un'interazione che viola la parità mediata da una nuova ipotetica particella di scambio, chiamata bosone Z', che esiste in aggiunta al bosone Z. mediare l’interazione debole nel Modello standard.

Nella configurazione attuale, non sono stati in grado di rilevare questa particella, ma sono stati in grado di aumentare la sensibilità di cinque ordini di grandezza rispetto alle misurazioni precedenti. Ciò consente ai ricercatori di stabilire vincoli sulla forza dell’interazione della nuova particella di scambio con le particelle del Modello Standard che sono complementari alle osservazioni astrofisiche e di aprire una regione precedentemente inaccessibile.

Numerose teorie prevedono l’esistenza di interazioni esotiche oltre il Modello Standard. Differiscono dalle quattro interazioni conosciute e sono mediate da particelle di scambio precedentemente sconosciute. In particolare, le interazioni che violano la parità, cioè quelle in cui la simmetria speculare è rotta, stanno attualmente riscontrando un interesse speciale.

Da un lato perché ciò indicherebbe immediatamente il particolare tipo di nuova fisica con cui abbiamo a che fare, e dall’altro perché i loro effetti sono più facili da separare dagli effetti sistematici spuri, che di solito non mostrano rotture della simmetria speculare. "In questo articolo, osserviamo da vicino tale interazione tra gli spin degli elettroni e gli spin dei neutroni, mediata da un ipotetico bosone Z'. In un mondo speculare, questa interazione porterebbe a un risultato diverso; la parità è violato qui", spiega Dmitry Budker.

Questo "risultato" si presenta così: gli spin degli elettroni all'interno di una sorgente sono tutti allineati in una direzione, cioè polarizzati, e la polarizzazione è continuamente modulata, creando così un campo esotico che viene percepito come un campo magnetico e può essere misurato utilizzando un sensore . In un mondo allo specchio, il campo esotico non punterebbe nella stessa direzione che ci si aspetterebbe in un'immagine speculare "reale", ma nella direzione opposta: la parità di questa interazione è violata.

"Spin Amplifier for Particle PHysIcs REsearch"—SAPPHIRE in breve—è il nome con cui i ricercatori hanno chiamato la loro configurazione, che si basa sui due elementi rubidio e xeno. Hanno già utilizzato questa tecnica in una forma simile per cercare altre interazioni esotiche e campi di materia oscura.

Nello specifico, nella ricerca sperimentale di interazioni spin-spin esotiche, due camere riempite con il vapore di uno dei due elementi sono posizionate in stretta vicinanza l'una all'altra: "Nel nostro esperimento, usiamo spin elettronici polarizzati di atomi di rubidio-87 come una sorgente di spin e spin polarizzati di neutroni del gas nobile xeno, o più precisamente dell'isotopo xeno-129, come sensore di spin", afferma Dmitry Budker.

Il trucco è che la struttura speciale e gli atomi di xeno polarizzati nel sensore di spin amplificano inizialmente il campo generato nella sorgente di rubidio: quindi, l'effetto innescato da un potenziale campo esotico sarebbe maggiore di un fattore 200. Ora entra in gioco il principio della risonanza magnetica nucleare, cioè il fatto che gli spin nucleari reagiscono ai campi magnetici che oscillano ad una certa frequenza di risonanza. A questo scopo nella cella del sensore sono presenti anche atomi di rubidio-87 in piccola percentuale. A loro volta agiscono come un magnetometro estremamente sensibile per determinare l'intensità del segnale di risonanza.