Verwendung von Quantentechnologie, um neue Teilchen einzuschränken

Noch zu entdeckende Axionen und axionähnliche Teilchen könnten der Schlüssel zur Erklärung einiger der tiefsten Rätsel unseres Universums sein, wie z. B. Dunkle Materie und Verletzung der Ladungsparität in starken Wechselwirkungen. Mehrere neuere Theorien haben vorhergesagt, dass die Massen von Axionen wahrscheinlich innerhalb des gut motivierten „Axionfensters“ (0,01 meV–1 meV) liegen. Bestehende Laborsuchen und astrophysikalische Beobachtungen suchen jedoch meistens außerhalb des Axionfensters nach den Axionen.

Das Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Peng Xinhua von der University of Science and Technology of China (USTC) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, das mit Prof. Dmitry Budker von der Helmholtz-Institution in Mainz zusammenarbeitete, verwendete einen kürzlich entwickelten Spin-basierten Verstärker, um Hypothesen einzuschränken Axionen innerhalb des Axionfensters, wodurch ein vielversprechender Parameterraum erkundet werden kann. Die Studie wurde veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Überprüfung.

Der Austausch von Axionen zwischen Fermionen führt zu einer exotischen Dipol-Dipol-Wechselwirkung, die möglicherweise durch Laborexperimente nachweisbar ist. In dieser Arbeit verwendeten die Forscher eine große Sammlung polarisierter Rubidium-87-Elektronen und polarisierter Xeon-129-Kernspins als zwei Arten von Fermionen. Aufgrund des Austauschs von Axionen könnte das Rubidium das exotische Signal auf den Xeon-Kernspins erzeugen, und dann werden die polarisierten Xeon-129-Kernspins verwendet, um resonant nach dem Signal zu suchen.

Insbesondere zeigten die Forscher, dass die langlebigen Xeon-129-Spins als Quantenvorverstärker fungieren, der das exotische Signal um einen Faktor von mehr als 40 verstärken kann. Mit einer solchen Technik lieferten sie die strengsten Einschränkungen für Neutronen-Elektronen durch Axionen vermittelte Kopplung für die Axionmasse von 0,03 meV bis 1 meV innerhalb des Axionfensters.

Diese Arbeit stellt eine empfindliche Quantentechnik bereit, um die indirekte Suche nach Axionen mit einem kürzlich entwickelten Spin-basierten Verstärker zu realisieren, was eine wesentliche Verbesserung der Empfindlichkeit in einem theoretisch interessanten Massenbereich für Axionen darstellt. Das spinbasierte Verstärkerschema erweitert als neue Implementierung die Möglichkeiten von Spinmessungen und kann weiter angewendet werden, um resonant nach hypothetischen Teilchen jenseits des Standardmodells zu suchen, wie z. B. neue Spin-1-Dunkelphotonen.