Auf der Suche nach neuen Kräften und Wechselwirkungen jenseits des Standardmodells ist ein internationales Forscherteam unter Beteiligung des Exzellenzclusters PRISMA der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und des Helmholtz-Instituts Mainz nun einen großen Schritt vorangekommen. Die Forscher, unter ihnen Prof. Dr. Dmitry Budker, verwenden ein Verstärkungsverfahren, das auf Kernspinresonanz basiert.
In ihrer kürzlich erschienenen Arbeit in Wissenschaftliche Fortschritteverwenden sie ihren experimentellen Aufbau, um eine besondere exotische Wechselwirkung zwischen Spins zu untersuchen: eine paritätsverletzende Wechselwirkung, die durch ein neues hypothetisches Austauschteilchen, ein sogenanntes Z‘-Boson, vermittelt wird, das zusätzlich zu dem Z-Boson existiert, das die schwache Wechselwirkung im Standardmodell vermittelt .
Im aktuellen Aufbau konnten sie dieses Teilchen nicht nachweisen, aber sie konnten die Empfindlichkeit im Vergleich zu früheren Messungen um fünf Größenordnungen steigern. Dies ermöglicht es den Forschern, der Stärke der Wechselwirkung des neuen Austauschteilchens mit Teilchen des Standardmodells Grenzen zu setzen, die astrophysikalische Beobachtungen ergänzen und eine zuvor unzugängliche Region erschließen.
Zahlreiche Theorien sagen die Existenz exotischer Wechselwirkungen jenseits des Standardmodells voraus. Sie unterscheiden sich von den vier bekannten Wechselwirkungen und werden durch bisher unbekannte Austauschteilchen vermittelt. Insbesondere paritätsverletzende Wechselwirkungen, dh wo Spiegelsymmetrie gebrochen wird, erfahren derzeit ein besonderes Interesse.
Einerseits, weil dies sofort auf die besondere Art neuer Physik hinweisen würde, mit der wir es zu tun haben, und andererseits, weil ihre Effekte leichter von systematischen Störeffekten zu trennen sind, die normalerweise keine Spiegelsymmetriebrechung aufweisen. „Im aktuellen Artikel nehmen wir eine solche Wechselwirkung zwischen den Spins von Elektronen und den Spins von Neutronen unter die Lupe, vermittelt durch ein hypothetisches Z‘-Boson. In einer gespiegelten Welt würde diese Wechselwirkung zu einem anderen Ergebnis führen; Parität ist hier verletzt“, erklärt Dmitry Budker.
Dieses „Ergebnis“ sieht so aus: Die Elektronenspins innerhalb einer Quelle sind alle in eine Richtung ausgerichtet, also polarisiert, und die Polarisation wird kontinuierlich moduliert, wodurch ein exotisches Feld entsteht, das als Magnetfeld wahrgenommen und mit einem Sensor gemessen werden kann . In einer gespiegelten Welt würde das exotische Feld nicht in dieselbe Richtung zeigen, wie man es in einem „echten“ Spiegelbild erwarten würde, sondern in die entgegengesetzte Richtung: Die Parität dieser Wechselwirkung ist verletzt.
SAPPHIRE – das neue Juwel auf der Suche nach neuer Physik
„Spin Amplifier for Particle PHysIcs REsearch“ – kurz SAPPHIRE – nennen die Forscher ihren Aufbau, der auf den beiden Elementen Rubidium und Xenon basiert. Sie haben diese Technik in ähnlicher Form bereits eingesetzt, um nach anderen exotischen Wechselwirkungen und nach Feldern dunkler Materie zu suchen.
Konkret werden bei der experimentellen Suche nach exotischen Spin-Spin-Wechselwirkungen zwei mit dem Dampf eines der beiden Elemente gefüllte Kammern in unmittelbarer Nähe zueinander positioniert: „In unserem Experiment verwenden wir polarisierte Elektronenspins von Rubidium-87-Atomen als als Spinquelle und polarisierte Neutronenspins des Edelgases Xenon, genauer gesagt des Isotops Xenon-129, als Spinsensor“, sagt Dmitry Budker.
Der Trick besteht darin, dass die spezielle Struktur und die polarisierten Xenon-Atome im Spinsensor das in der Rubidiumquelle erzeugte Feld zunächst verstärken: Der Effekt, den ein potenzielles exotisches Feld auslöst, wäre also um den Faktor 200 größer. Nun kommt das Prinzip der Kernspinresonanz zum Tragen, dh die Tatsache, dass Kernspins auf Magnetfelder reagieren, die mit einer bestimmten Resonanzfrequenz schwingen. Zu diesem Zweck sind auch Rubidium-87-Atome zu einem geringen Anteil in der Sensorzelle vorhanden. Sie wirken wiederum als äußerst empfindliches Magnetometer, um die Stärke des Resonanzsignals zu bestimmen.
Der Nachweis eines solchen exotischen Feldes im richtigen Frequenzbereich wäre dann der Hinweis auf die gesuchte neue Wechselwirkung. Weitere spezielle experimentelle Details sorgen dafür, dass der Aufbau im interessierenden Frequenzbereich besonders empfindlich und unempfindlicher gegenüber Störeinflüssen anderer Magnetfelder ist, die zwangsläufig auch im Experiment auftreten.
„Alles in allem ist dies ein ziemlich kompliziertes Setup, das ein sorgfältiges Design und eine sorgfältige Kalibrierung erfordert hat. Es ist sehr lohnend, mit unseren langjährigen Mitarbeitern von der University of Science and Technology (USTC) in Hefei an solch herausfordernden und interessanten Problemen zu arbeiten , China, das das Experiment veranstaltete“, berichtet Dmitry Budker.
Nach erfolgreichem Proof-of-Principle starteten die Wissenschaftler die erste Messreihe zur Suche nach der exotischen Wechselwirkung. Obwohl sie nach 24-stündigen Messungen noch kein entsprechendes Signal finden konnten, ermöglichte ihnen die um fünf Größenordnungen gesteigerte Empfindlichkeit, Einschränkungen für die Stärke der Wechselwirkung des neuen Austauschteilchens mit Teilchen des Standardmodells festzulegen.
Eine weitere Optimierung könnte die experimentelle Empfindlichkeit gegenüber der speziellen exotischen Wechselwirkung sogar um weitere acht Größenordnungen verbessern. Dies lässt es möglich erscheinen, den hochempfindlichen SAPPHIRE-Aufbau zu verwenden, um eine neue Physik mit potenziellen Z‘-Bosonen zu entdecken und zu untersuchen.
Mehr Informationen:
Yuanhong Wang et al., Suche nach exotischen Paritätsverletzungswechselwirkungen mit Quantenspinverstärkern, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.ade0353