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Ricercatori osservano quali potrebbero essere i primi indizi di bosoni oscuri

Measuring small shifts in transition frequencies in different isotopes of the same atom can probe for the existence of a hypothetical dark matter particle, ϕ, which mediates an interaction between neutrons and electrons. Credit: Counts et al.

Particelle estremamente leggere e debolmente interagenti possono svolgere un ruolo cruciale nella cosmologia e nella continua ricerca della materia oscura. Sfortunatamente, tuttavia, queste particelle si sono finora rivelate molto difficili da rilevare utilizzando i collisori ad alta energia esistenti. I ricercatori di tutto il mondo hanno quindi cercato di sviluppare tecnologie e metodi alternativi che potrebbero consentire il rilevamento di queste particelle.

Negli ultimi anni, le collaborazioni tra fisici delle particelle e atomici che lavorano in diversi istituti in tutto il mondo hanno portato allo sviluppo di una nuova tecnica che potrebbe essere utilizzata per rilevare le interazioni tra bosoni molto leggeri e neutroni o elettroni. I bosoni leggeri, infatti, dovrebbero modificare i livelli energetici degli elettroni negli atomi e negli ioni, cambiamento che potrebbe essere rilevabile utilizzando la tecnica proposta da questi team di ricercatori .

Utilizzando questo metodo, due diversi gruppi di ricerca (uno presso la Aarhus University in Danimarca e l’altro presso il Massachusetts Institute of Technology) hanno recentemente eseguito esperimenti volti a raccogliere indizi sull’esistenza di bosoni oscuri, particelle elusive che sono tra i candidati più promettenti della materia oscura o mediatori di un settore oscuro. I loro risultati, pubblicati su Physical Review Letters , potrebbero avere importanti implicazioni per i futuri esperimenti sulla materia oscura.

Teoricamente, le interazioni tra particelle che non sono mai state osservate prima, come i bosoni e altre particelle comuni (es. Gli elettroni), dovrebbero riflettersi in una discrepanza tra le frequenze di transizione previste dal Modello Standard e quelle misurate in atomi reali. Anche se i fisici sono in grado di raccogliere misurazioni di frequenza estremamente precise, i calcoli basati sulla teoria per i grandi atomi avranno un margine di incertezza così ampio da non poter essere confrontati in modo affidabile con le misurazioni dirette.

“Il trucco usato nei lavori precedenti era quello di eseguire misurazioni di frequenza delle stesse transizioni in diversi isotopi dell’elemento an, e risalire a un’ansatz degli anni ’60 (King ’63) “. “La differenza tra la stessa transizione in due diversi isotopi è chiamata spostamento isotopico. Confrontando almeno tre di tali spostamenti isotopici di almeno due transizioni, non è più necessario fare affidamento sui calcoli delle frequenze nel modello standard. Invece, il nostro metodo utilizza solo le misurazioni, disposte in 3 punti datiche sono ciascuna una coppia delle due frequenze di transizione misurate in un cosiddetto diagramma King. Allora la domanda è abbastanza semplice: i tre punti giacciono su una linea retta, come previsto nel modello standard? ”

La tecnica utilizzata dal team di Aarhus, guidato da Michael Drewsen, nonché dal team di ricerca del MIT guidato da Vladan Vuletic, prevede essenzialmente l’esame degli spostamenti isotopici disposti in 4 punti dati. Se questi punti formano una linea retta, le osservazioni sono allineate con il modello standard, il che suggerisce che non è stata rilevata alcuna nuova fisica. Se non sono in linea retta, tuttavia, ciò potrebbe suggerire la presenza di nuovi bosoni o altri fenomeni fisici.

Se la non linearità osservata utilizzando questo metodo dovesse superare in modo significativo le barre di errore fissate dal modello standard, i ricercatori dovrebbero essere in grado di impostare nuovi limiti sugli accoppiamenti e sulla massa del bosone che potrebbero aver rilevato. Tuttavia, se è inaspettatamente grande, la non linearità potrebbe essere associata a un bosone che ha disturbato i livelli di energia di un elettrone o ad altri fenomeni fisici previsti dal Modello Standard che sono anche noti per rompere la linearità degli spostamenti isotopici.

“La ricerca di nuovi bosoni utilizzando la non linearità del diagramma di King è una delle numerose ricerche di nuova fisica che utilizzano esperimenti atomici o molecolari di precisione anziché collisori ad alta energia”, Julian Berengut, un altro teorico del team di Aarhus, che lavora all’UNSW di Sydney , Australia, e ha condotto il recente studio. “L’idea alla base di tutte queste ricerche è che con alta precisione è possibile sondare gli effetti sottili delle particelle che potresti non essere in grado di rilevare facilmente nei collisori. In genere, questi esperimenti sono molto più piccoli e molto più economici degli esperimenti sui collisori e fornire un approccio complementare. Il nostro articolo, così come quello adiacente del gruppo di Vladan Vuletic al MIT, sono davvero le prime misurazioni dedicate raccolte utilizzando il metodo della non linearità del diagramma di King. ”

Sia il gruppo di ricerca di Vuletic che il team di Drewsen hanno raccolto le loro misurazioni utilizzando una tecnica nota come spettroscopia di precisione. Questa tecnica può essere utilizzata per raccogliere misurazioni di frequenza molto precise negli atomi, ad esempio registrando le frequenze esibite quando un atomo transita tra stati diversi. Nei loro esperimenti, il team del MIT e i ricercatori dell’Università di Aarhus hanno esaminato diversi ioni: itterbio e ioni di calcio, rispettivamente.

“Il nostro obiettivo principale era quello di testare nuove forze oltre a quelle attualmente conosciute (come delineato dal Modello Standard) ed escluderle a un certo livello”, ha detto Vladan Vuletic, il ricercatore che ha guidato il gruppo al MIT. “Questo test era stato fatto prima, ma non con la precisione che abbiamo raggiunto. Contemporaneamente al nostro lavoro, il gruppo guidato da Michael Drewsen in Danimarca ha misurato transizioni simili circa 10 volte più precisamente, ma in un atomo con una sensibilità circa 10 volte inferiore al nuovo effetti rispetto all’atomo che usiamo, quindi la sensibilità del nostro esperimento e dell’esperimento di Drewsen hanno finito per essere più o meno la stessa cosa. ”

Per condurre efficacemente una ricerca di bosoni oscuri utilizzando il metodo basato sulla spettroscopia di precisione, i fisici devono misurare le transizioni ottiche in diversi isotopi dello stesso elemento a 10-15 Hz con una precisione sub-kHz (cioè, con una precisione frazionaria di 1 parte in 10 12 o migliore). Per fare ciò, le particelle che esamineranno dovrebbero essere intrappolate. Vuletic ei suoi colleghi hanno intrappolato gli ioni di itterbio che hanno usato in quella che è nota come “trappola di Paul”, utilizzando campi elettrici oscillanti. Hanno sondato questi ioni con un laser molto stabile, che hanno stabilizzato utilizzando un risonatore ottico con specchi altamente riflettenti.

“Abbiamo misurato la frequenza di un isotopo per mezz’ora scansionando la frequenza laser, quindi siamo passati a un altro isotopo, misurato per 30 minuti, siamo tornati al primo isotopo e abbiamo calcolato la media delle misurazioni dopo ogni giorno di lavoro”, ha detto Vuletic. “Il giorno successivo, avremmo misurato un’altra coppia di isotopi e così via”.

Poiché si basano su misurazioni di altissima precisione, gli esperimenti condotti dai gruppi di Vuletic e di Drewsen sono molto difficili da eseguire. Infatti, richiedono un buon controllo sia degli ioni intrappolati che delle diverse sorgenti laser utilizzate per la ionizzazione, il raffreddamento e la spettroscopia.

Il team dell’Università di Aarhus ha raccolto misurazioni ancora più precise rispetto al gruppo di Vuletic, raggiungendo una precisione senza precedenti di 20 Hz sulla cosiddetta struttura D-fine ~ 2 THz che si divide in cinque isotopi Ca + , che corrisponde a una precisione relativa di 10-11 . Nei loro esperimenti, hanno utilizzato una serie di strumenti tecnologici e tecniche sviluppati nel secolo scorso, tra cui trappole ioniche, metodi di raffreddamento laser e uno strumento speciale noto come laser a pettine di frequenza a femtosecondi.

“L’invenzione del cosiddetto laser a pettine di frequenza a femtosecondi intorno all’anno 2000 è ciò che ha reso possibile sondare con estrema precisione i livelli di energia elettronica della divisione della struttura D-fine, utilizzando un metodo che abbiamo recentemente dimostrato all’Università di Aarhus”,lo ha dichiarato Cyrille Solaro, uno dei ricercatori dell’Università di Aarhus che ha condotto il recente studio. “Sebbene non sia paragonabile in termini di dimensioni e investimenti agli enormi sforzi collettivi del CERN, è notevole che tali esperimenti ‘da tavolo’ possano contribuire a esplorare alcune delle stesse domande fondamentali nella scienza, affrontando principalmente particelle più leggere, e significativi progressi sperimentali hanno è successo nel breve lasso di tempo di pochi anni “.

Oltre alla notevole e ineguagliabile precisione, entrambi i gruppi di ricerca hanno misurato 4 spostamenti isotopici utilizzando 5 diversi isotopi, mentre studi precedenti hanno raccolto misurazioni per un massimo di 4 isotopi. In definitiva, i loro esperimenti hanno permesso loro di migliorare il limite sull’accoppiamento di un nuovo bosone con elettroni e neutroni di un fattore 30 rispetto al limite precedente, anch’esso impostato sulla base di un diagramma King degli spostamenti degli isotopi (ovvero, utilizzando lo stesso tecnica).

“Il nostro limite fortemente migliorato non è più forte di quello esistente derivato dalla combinazione di due modi complementari di testare gli accoppiamenti (dispersione dei neutroni e momento magnetico dell’elettrone), ma evidenzia i progressi rapidi e significativi ottenibili con il metodo King plot “, Ha detto Fuchs. “Inoltre, abbiamo evidenziato lo spazio realistico per un ulteriore miglioramento del limite se questa transizione di scissione della struttura D-fine viene misurata in ioni Ca, Ba o Yb con la precisione attuale o futura, dimostrando che accoppiamenti e masse finora non testati possono essere testato con la precisione ammissibile di 10 mHz. Tale precisione consentirà anche un test indipendente dell’anomalia Be. ”

Mentre le misurazioni raccolte dal team dell’Università di Aarhus erano lineari e quindi allineate con le previsioni del modello standard, il team di Vuletic ha osservato una deviazione dalla linearità con una significatività statistica di 3 sigma. Sebbene questa deviazione potrebbe derivare da termini aggiuntivi all’interno del Modello Standard, potrebbe anche suggerire l’esistenza di bosoni oscuri.

“Ci sono ampie prove che ci sia fisica oltre il Modello Standard (ad esempio, sappiamo che c’è Materia Oscura nell’universo), ma non abbiamo idea di cosa costituisca questa nuova fisica”, ha detto Vuletic. “È importante cercare sperimentalmente in direzioni diverse per escludere certe possibilità, o se si è estremamente fortunati, per trovare nuova fisica o una nuova particella da qualche parte. Stiamo cercando particelle in un intervallo di massa intermedio, dove in realtà abbiamo una sensibilità migliore di ricerche dirette che utilizzano acceleratori di particelle, poiché abbiamo uno straordinario grado di controllo sul sistema a livello di singolo atomo e quantistico “.

Sia il team del MIT che il gruppo dell’Università di Aarhus hanno in programma di condurre ulteriori ricerche per bosoni oscuri e altri candidati alla materia oscura utilizzando la spettroscopia ad alta risoluzione e tramite grafici King degli spostamenti degli isotopi. Il loro lavoro potrebbe infine aprire la strada all’osservazione sperimentale dei segnali associati alla materia oscura .

“Ora continueremo la nostra ricerca con maggiore precisione e su nuove transizioni in cui ci si aspetta che le non linearità siano ancora più grandi”, ha detto Vuletic. “Questo alla fine ci consentirà di individuare la fonte della non linearità che abbiamo osservato; se proviene dalla struttura nucleare, o addirittura da una nuova fisica precedentemente sconosciuta”.

Nei loro prossimi studi, il team dell’Università di Aarhus proverà a misurare gli spostamenti degli isotopi con una precisione ancora maggiore, in quanto ciò potrebbe consentire loro di stabilire nuovi limiti o rilevare nuove deviazioni dalle previsioni del Modello standard. Nel frattempo, i membri del team continueranno ad esplorare una varietà di altri argomenti, che vanno dal miglioramento della spettroscopia di precisione e dell’interferometria alla fisica del collisore per studiare le proprietà del bosone di Higgs o cercare nuove particelle pesanti.

“In particolare, abbiamo stabilito un contatto con il Prof. Hua Guan, presso l’Accademia cinese delle scienze di Wuhan, Cina, al fine di avviare una collaborazione volta a migliorare la sensibilità alla trama Ca + King di un fattore ~ ​​1000”, Michael Drewsen, che ha guidato il team di Aarhus. “Ciò può essere ottenuto attraverso una misurazione ~ 1000 volte più precisa della divisione della struttura D-fine eseguita presso l’Università di Aarhus sfruttando l’entanglement quantistico di due ioni di isotopi diversi e misurazioni della transizione SD con una precisione relativa di 10-17 da il gruppo di Wuhan “.

Oltre al metodo sperimentale utilizzato finora, Fuchs e i suoi colleghi dell’Istituto di scienza Weizmann in Israele stanno considerando la possibilità di misurare gli spostamenti isotopici degli stati di Rydberg. Questa versione alternativa del loro esperimento richiederebbe solo due isotopi .

“Sono estremamente fiducioso sulla possibilità di migliorare il nostro esperimento sfruttando gli studi di precisione appena disponibili in ioni di calcio altamente caricati”, ha concluso Berengut. “Con questi dati aggiuntivi, dovremmo essere in grado di rimuovere tutti i potenziali effetti sistematici e assicurarci di ottenere il massimo dalle nostre trame King”.

 

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