Medir pequenas mudanças nas frequências de transição em diferentes isótopos do mesmo átomo pode sondar a existência de uma partícula de matéria escura hipotética, ϕ, que medeia uma interação entre nêutrons e elétrons. Crédito:Counts et al.
Partículas extremamente leves e de interação fraca podem desempenhar um papel crucial na cosmologia e na busca contínua por matéria escura. Infelizmente, Contudo, essas partículas têm se mostrado muito difíceis de detectar usando os aceleradores de alta energia existentes. Pesquisadores em todo o mundo têm tentado desenvolver tecnologias e métodos alternativos que possibilitem a detecção dessas partículas.
Ao longo dos últimos anos, colaborações entre partículas e físicos atômicos que trabalham em diferentes institutos em todo o mundo levaram ao desenvolvimento de uma nova técnica que poderia ser usada para detectar interações entre bósons muito leves e nêutrons ou elétrons. Bósons leves, na verdade, deve mudar os níveis de energia dos elétrons em átomos e íons, uma mudança que poderia ser detectada usando a técnica proposta por essas equipes de pesquisadores.
Usando este método, dois grupos de pesquisa diferentes (um na Universidade Aarhus na Dinamarca e outro no Instituto de Tecnologia de Massachusetts) realizaram recentemente experimentos com o objetivo de reunir indícios da existência de bósons escuros, partículas elusivas que estão entre os candidatos ou mediadores de matéria escura mais promissores para um setor escuro. Suas descobertas, publicado em Cartas de revisão física , pode ter implicações importantes para futuros experimentos de matéria escura.
Teoricamente, interações entre partículas que nunca foram observadas antes, como bósons, e outras partículas comuns (por exemplo, elétrons), deve ser refletido em uma discrepância entre as frequências de transição previstas pelo Modelo Padrão e aquelas medidas em átomos reais. Mesmo que os físicos sejam capazes de coletar medições de frequência extremamente precisas, cálculos baseados em teoria para grandes átomos terão uma margem de incerteza tão grande que não podem ser comparados de forma confiável com medições diretas.
“O truque usado em trabalhos anteriores foi realizar medições de frequência das mesmas transições em vários isótopos de um elemento, e voltando a um ansatz dos anos 60 (King '63), "Elina Fuchs, um físico teórico do Fermilab e da Universidade de Chicago que colaborou com a equipe da Universidade Aarhus, disse a Phys.org. "A diferença entre a mesma transição em dois isótopos diferentes é chamada de mudança de isótopo. Ao comparar pelo menos três dessas mudanças de isótopo de pelo menos duas transições, não é mais necessário confiar nos cálculos das frequências no Modelo Padrão. Em vez de, nosso método usa apenas as medições, arranjados em 3 pontos de dados que são, cada um, um par das duas frequências de transição medidas em um chamado gráfico de King. Então a questão é bastante simples:os três pontos estão em uma linha reta, conforme esperado no Modelo Padrão? "
A técnica usada pela equipe Aarhus, liderado por Michael Drewsen, bem como pela equipe de pesquisa do MIT liderada por Vladan Vuletic, envolve essencialmente o exame de deslocamentos de isótopos organizados em 4 pontos de dados. Se esses pontos formarem uma linha reta, as observações estão alinhadas com o modelo padrão, o que sugere que nenhuma nova física foi detectada. Se eles não estiverem em linha reta, Contudo, isso poderia sugerir a presença de novos bósons ou outros fenômenos físicos.
Caso a não linearidade observada usando este método exceda significativamente as barras de erro definidas pelo Modelo Padrão, então, os pesquisadores devem ser capazes de estabelecer novos limites nos acoplamentos e na massa do bóson que possam ter detectado. Contudo, se for inesperadamente grande, a não linearidade pode estar associada a um bóson que perturba os níveis de energia de um elétron ou a outros fenômenos físicos previstos pelo Modelo Padrão que também são conhecidos por quebrar a linearidade das mudanças de isótopos.
"Procurar novos bósons usando a não linearidade do gráfico de King é uma das várias pesquisas por novas físicas que usam experimentos atômicos ou moleculares de precisão em vez de colisões de alta energia, "Julian Berengut, outro teórico da equipe Aarhus, que trabalha na UNSW em Sydney, Austrália, e realizou o estudo recente, disse a Phys.org. "A ideia por trás de todas essas pesquisas é que, com alta precisão, você pode testar efeitos sutis de partículas que talvez não consiga detectar facilmente nos aceleradores. Geralmente, esses experimentos são muito menores e mais baratos do que os experimentos com colisor, e fornecem uma abordagem complementar. Nosso jornal, bem como o adjacente do grupo de Vladan Vuletic no MIT, são realmente as primeiras medições dedicadas coletadas usando o método de não linearidade do gráfico de King. "
O grupo de pesquisa da Vuletic e a equipe de Drewsen coletaram suas medições usando uma técnica conhecida como espectroscopia de precisão. Esta técnica pode ser usada para coletar medições de frequência muito precisas em átomos, por exemplo, registrar as frequências exibidas quando um átomo faz a transição entre diferentes estados. Em seus experimentos, a equipe do MIT e os pesquisadores da Universidade de Aarhus examinaram diferentes íons:itérbio e íons de cálcio, respectivamente.
"Nosso principal objetivo era testar novas forças além das atualmente conhecidas (conforme descrito pelo Modelo Padrão) e excluí-las em um determinado nível, "Vladan Vuletic, o pesquisador que liderou o grupo no MIT, disse a Phys.org. "Este teste foi feito antes, mas não com a precisão que alcançamos. Simultaneamente ao nosso trabalho, o grupo liderado por Michael Drewsen na Dinamarca mediu transições semelhantes cerca de 10 vezes mais precisamente, mas em um átomo com cerca de 10 vezes menos sensibilidade a novos efeitos do que o átomo que usamos, então a sensibilidade de nosso experimento e do experimento de Drewsen acabou sendo mais ou menos a mesma. "
Para conduzir com eficácia uma busca por bósons escuros usando o método baseado em espectroscopia de precisão, os físicos precisam medir as transições ópticas em diferentes isótopos do mesmo elemento em 10 15 Hz com uma precisão sub-kHz (ou seja, com uma precisão fracionária de 1 parte em 10 12 ou melhor). Para fazer isso, as partículas que eles examinarão devem ser aprisionadas. Vuletic e seus colegas capturaram os íons itérbio que usaram no que é conhecido como uma 'armadilha de Paul', usando campos elétricos oscilantes. Eles sondaram esses íons com um laser muito estável, que eles estabilizaram usando um ressonador óptico com espelhos altamente refletivos.
"Medimos a frequência de um isótopo por meia hora examinando a frequência do laser, em seguida, mudou para outro isótopo, medido por 30 minutos, mudou de volta para o primeiro isótopo, e calculou a média das medições após cada dia de trabalho, "Vuletic disse." No dia seguinte, mediríamos outro par de isótopos, e assim por diante."
Como são baseados em medições de altíssima precisão, os experimentos realizados pelos grupos Vuletic e Drewsen são muito difíceis de realizar. Na verdade, eles exigem um bom controle sobre os íons presos e as diferentes fontes de laser usadas para ionização, resfriamento e espectroscopia.
A equipe da Universidade de Aarhus reuniu medições ainda mais precisas do que o grupo de Vuletic, alcançando uma precisão sem precedentes de 20 Hz no ~ 2 THz, chamada estrutura D-fine, dividindo-se em cinco Ca + isótopos, que corresponde a uma precisão relativa de 10 -11 . Em seus experimentos, eles utilizaram uma série de ferramentas e técnicas tecnológicas desenvolvidas ao longo do século passado, incluindo armadilhas de íons, métodos de resfriamento a laser e uma ferramenta especial conhecida como laser pente de frequência de femtosegundo.
"A invenção do chamado laser de femtossegundo pente por volta do ano 2000 é o que tornou possível sondar com muita precisão os níveis de energia eletrônica da divisão da estrutura D-fina, usando um método que demonstramos recentemente na Universidade de Aarhus, "Cyrille Solaro, um dos pesquisadores da Universidade de Aarhus que realizou o estudo recente, disse a Phys.org. "Embora não seja comparável em termos de tamanho e investimentos aos enormes esforços coletivos do CERN, é notável que tais experimentos de 'mesa' possam contribuir para explorar algumas das mesmas questões fundamentais na ciência, abordando principalmente partículas mais leves, e um progresso experimental significativo aconteceu na curta escala de tempo de apenas alguns anos. "
Além da precisão notável e incomparável, ambas as equipes de pesquisa mediram 4 deslocamentos de isótopos usando 5 isótopos diferentes, enquanto estudos anteriores coletaram medições para um máximo de 4 isótopos. Em última análise, seus experimentos permitiram que eles melhorassem o limite no acoplamento de um novo bóson aos elétrons e nêutrons por um fator de 30 em comparação com o limite anterior, que também foi definido com base em um gráfico King de mudanças de isótopos (ou seja, usando a mesma técnica).
"Nosso limite fortemente melhorado não é mais forte do que o existente derivado da combinação de duas formas complementares de testar os acoplamentos (espalhamento de nêutrons e momento magnético do elétron), mas destaca o progresso rápido e significativo alcançável com o método do enredo King, "Fuchs disse." Além disso, apontamos o espaço realista para melhorias adicionais do limite se esta transição de divisão de estrutura fina D for medida em Ca, Íons Ba ou Yb na precisão atual ou futura, mostrando que até agora acoplamentos e massas não testados podem ser testados com a precisão viável de 10 MHz. Essa precisão também permitirá um teste independente da anomalia Be. "
Embora as medições coletadas pela equipe da Universidade de Aarhus fossem lineares e, portanto, alinhadas com as previsões do Modelo Padrão, A equipe de Vuletic observou um desvio da linearidade com significância estatística de 3 sigma. Embora esse desvio possa resultar de termos adicionais dentro do Modelo Padrão, também pode sugerir a existência de bósons escuros.
"Há ampla evidência de que há física além do Modelo Padrão (por exemplo, sabemos que existe matéria escura no universo), mas não temos ideia do que constitui esta nova física, "Vuletic disse." É importante pesquisar experimentalmente em diferentes direções para excluir certas possibilidades, ou se alguém for extremamente sortudo, para encontrar uma nova física ou uma nova partícula em algum lugar. Estamos procurando por partículas em uma faixa de massa intermediária, onde, na verdade, temos melhor sensibilidade do que pesquisas diretas que utilizam aceleradores de partículas, visto que temos um grau extraordinário de controle sobre o sistema no nível do átomo individual e quântico. "
Tanto a equipe do MIT quanto o grupo da Universidade de Aarhus planejam conduzir pesquisas adicionais para bósons escuros e outros candidatos à matéria escura usando espectroscopia de alta resolução e por meio de gráficos de King de mudanças de isótopos. Seu trabalho pode, em última análise, abrir caminho para a observação experimental de sinais associados à matéria escura.
"Vamos agora continuar nossa busca com precisão aprimorada e em novas transições onde as não linearidades devem ser ainda maiores, "Vuletic disse." Isso nos permitirá identificar a fonte da não linearidade que observamos; se vem da estrutura nuclear, ou mesmo de uma nova física que era anteriormente desconhecida. "
Em seus próximos estudos, a equipe da Universidade de Aarhus tentará medir os desvios de isótopos com uma precisão ainda maior, pois isso pode permitir que eles estabeleçam novos limites ou detectem novos desvios das previsões do Modelo Padrão. Enquanto isso, os membros da equipe também continuarão explorando uma variedade de outros tópicos, variando do aprimoramento da espectroscopia de precisão e interferometria à física do colisor para investigar as propriedades do bóson de Higgs ou pesquisar novas partículas pesadas.
"Em particular, estabelecemos contato com o Prof. Hua Guan, na Academia Chinesa de Ciências em Wuhan, China, a fim de iniciar uma colaboração destinada a melhorar a sensibilidade do gráfico de Ca + King por um fator de ~ 1000, "Michael Drewsen, que liderou a equipe em Aarhus, disse a Phys.org. "Isso pode ser alcançado por meio de uma medição ~ 1000 vezes mais precisa da divisão da estrutura D-fine realizada na Universidade de Aarhus, explorando o emaranhamento quântico de dois íons de diferentes isótopos, e medições da transição S-D com uma precisão relativa de 10 -17 pelo grupo Wuhan. "
Além do método experimental que usaram até agora, Fuchs e seus colegas do Instituto Weizmann de Ciência em Israel estão considerando a possibilidade de medir as mudanças de isótopos dos estados de Rydberg. Esta versão alternativa de seu experimento exigiria apenas dois isótopos.
"Estou extremamente esperançoso com a possibilidade de melhorar nosso experimento, aproveitando os estudos de precisão disponíveis recentemente em íons de cálcio altamente carregados, "Berengut concluiu." Com esses dados adicionais, devemos ser capazes de remover quaisquer efeitos sistemáticos em potencial e nos certificar de que obteremos o máximo de nossas parcelas de King. "
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