Une configuration spéciale utilise du rubidium et du xénon polarisés comme système émetteur et récepteur pour les champs exotiques

1 février 2023

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par l'Université de Mayence

Dans la recherche de nouvelles forces et interactions au-delà du modèle standard, une équipe internationale de chercheurs impliquant le pôle d'excellence PRISMA de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) et l'Institut Helmholtz de Mayence a maintenant fait un bon pas en avant. Les chercheurs, dont le professeur Dr. Dmitry Budker, utilisent une technique d'amplification basée sur la résonance magnétique nucléaire.

Dans leurs travaux récemment publiés dans Science Advances, ils utilisent leur dispositif expérimental pour étudier une interaction exotique particulière entre les spins : une interaction violant la parité médiée par une nouvelle particule d'échange hypothétique, appelée boson Z', qui existe en plus du boson Z qui médie l'interaction faible dans le modèle standard.

Dans la configuration actuelle, ils n'ont pas pu détecter cette particule, mais ils ont pu augmenter la sensibilité de cinq ordres de grandeur par rapport aux mesures précédentes. Cela permet aux chercheurs de définir des contraintes sur la force de l'interaction de la nouvelle particule d'échange avec les particules du modèle standard qui sont complémentaires aux observations astrophysiques et ouvrent une région auparavant inaccessible.

De nombreuses théories prédisent l'existence d'interactions exotiques au-delà du modèle standard. Ils diffèrent des quatre interactions connues et sont médiés par des particules d'échange jusqu'alors inconnues. En particulier, les interactions violant la parité, c'est-à-dire où la symétrie miroir est rompue, connaissent actuellement un intérêt particulier.

D'une part, parce que cela indiquerait immédiatement le type particulier de nouvelle physique auquel nous avons affaire, et d'autre part, parce que leurs effets sont plus faciles à séparer des faux effets systématiques, qui ne montrent généralement pas de rupture de symétrie miroir. "Dans le présent article, nous examinons de près une telle interaction entre les spins des électrons et les spins des neutrons, médiée par un hypothétique boson Z'. Dans un monde en miroir, cette interaction conduirait à un résultat différent ; la parité est ici violée", explique Dmitry Budker.

Ce « résultat » ressemble à ceci : les spins d'électrons dans une source sont tous alignés dans une direction, c'est-à-dire polarisés, et la polarisation est modulée en continu, créant ainsi un champ exotique qui est perçu comme un champ magnétique et peut être mesuré à l'aide d'un capteur. Dans un monde en miroir, le champ exotique ne pointerait pas dans la même direction que ce à quoi on s'attendrait dans une image miroir "réelle", mais dans la direction opposée : la parité de cette interaction est violée.

"Spin Amplifier for Particle PHysIcs REsearch" - SAPHIRE en abrégé - est le nom que les chercheurs ont donné à leur configuration, basée sur les deux éléments rubidium et xénon. Ils ont déjà utilisé cette technique sous une forme similaire pour rechercher d'autres interactions exotiques et des champs de matière noire.

Plus précisément, dans la recherche expérimentale d'interactions spin-spin exotiques, deux chambres remplies de la vapeur de l'un des deux éléments sont positionnées à proximité l'une de l'autre : "Dans notre expérience, nous utilisons des spins d'électrons polarisés d'atomes de rubidium-87 comme source de spin et des spins de neutrons polarisés du gaz rare xénon, ou plus précisément l'isotope xénon-129, comme capteur de spin", explique Dmitry Budker.

L'astuce est que la structure spéciale et les atomes de xénon polarisés dans le capteur de spin amplifient initialement le champ généré dans la source de rubidium : ainsi, l'effet déclenché par un champ exotique potentiel serait un facteur 200 plus grand. Maintenant, le principe de la résonance magnétique nucléaire entre en jeu, c'est-à-dire le fait que les spins nucléaires réagissent aux champs magnétiques qui oscillent à une certaine fréquence de résonance. Des atomes de rubidium-87 sont également présents en faible proportion dans la cellule du capteur à cet effet. Ils agissent à leur tour comme un magnétomètre extrêmement sensible pour déterminer la force du signal de résonance.

La détection d'un tel champ exotique dans la bonne gamme de fréquence serait alors l'indice de la nouvelle interaction que nous recherchons. D'autres détails expérimentaux spéciaux garantissent que la configuration est particulièrement sensible dans la gamme de fréquences d'intérêt et moins sensible aux effets parasites d'autres champs magnétiques qui surviennent inévitablement également dans l'expérience.

« Dans l'ensemble, il s'agit d'une configuration plutôt complexe qui a nécessité une conception et un étalonnage minutieux. Il est très gratifiant de travailler sur des problèmes aussi stimulants et intéressants avec nos collaborateurs de longue date de l'Université des sciences et technologies (USTC) à Hefei, en Chine, qui a accueilli l'expérience », rapporte Dmitry Budker.

Après une preuve de principe réussie, les scientifiques ont commencé la première série de mesures pour rechercher l'interaction exotique. Bien qu'ils n'aient pas encore été en mesure de trouver un signal correspondant après 24 heures de mesures, l'augmentation de sensibilité de cinq ordres de grandeur leur a permis de définir des contraintes sur la force de l'interaction de la nouvelle particule d'échange avec les particules du modèle standard.

Une optimisation supplémentaire pourrait même améliorer la sensibilité expérimentale à l'interaction exotique spéciale de huit autres ordres de grandeur. Cela rend possible l'utilisation du dispositif ultrasensible SAPPHIRE pour découvrir et étudier une nouvelle physique avec les bosons Z' potentiels.

Plus d'information: Yuanhong Wang et al, Recherche d'interactions exotiques de violation de parité avec des amplificateurs de spin quantiques, Science Advances (2023). DOI : 10.1126/sciadv.ade0353

Informations sur la revue :Avancées scientifiques

Fourni par Universitaet Mayence