Projected sensitivity of a spinor Bose-Einstein condensate comagnetometer to proton monopole-dipole interactions

في المشهد الشاسع للفيزياء الحديثة، يعمل النموذج المعياري كأفضل خريطة لدينا للكون، حيث يصنف الجسيمات الأساسية التي تشكل كل ما نراه. ومع ذلك، فإن هذه الخريطة بها فجوات؛ فهي لا تفسر لماذا يتكون الكون من المادة بدلاً من المادة المضادة، كما أنها لا تفسر المادة الخفية المعروفة بالمادة المظلمة. ويشتبه الفيزيائيون في أن هذه الفجوات تخفي بداخلها جسيمات جديدة خفيفة الوزن لم تُلاحظ بشكل مباشر قط. ومن بين المرشحين الأكثر واعدة هي البوزونات الافتراضية ذات الغزل الصفري (spin-zero bosons)، وهي جسيمات يمكن أن تعمل كرسل بين المادة العادية والقطاع المظلم الغامض. وإذا وجدت هذه الجسيمات، فإنها ستخلق قوة غريبة جداً: قوة تعتمد على اتجاه غزل (spin) الجسيم، وهي خاصة تشبه إبرة بوصلة داخلية صغيرة. ستنتهك هذه القوة التناظرات الأساسية للطبيعة، حيث ستتصرف بشكل مختلف إذا عُكس الزمن أو إذا نُظر إلى الكون في مرآة. وسيكون اكتشاف مثل هذه القوة اكتشافاً هائلاً، من شأنه أن يعيد كتابة فهمنا للكون ويكشف عن طبيعة المادة المظلمة.

وللبحث عن هذه الجسيمات المراوغة، لجأ الباحثون إلى تجربة حساسة للغاية تتضمن سحابة من الذرات المبردة إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق. وفي دراسة حديثة، اقترح العلماء استخدام حالة خاصة من المادة تسمى "تكاتف بوز-أينشتاين" (Bose-Einstein condensate)، حيث تفقد آلاف الذرات هوياتها الفردية وتتصرف كموجة واحدة متماسكة. وبشكل محدد، ركزوا على سحابة من ذرات الروبيديوم، التي يمكن أن توجد في حالتين داخليتين مختلفتين للطاقة في آن واحد. تعمل هاتان الحالتان مثل زوج من الساعات المتزامنة التي تدق في اتجاهين متعاكسين عند التعرض لمجال مغناطيسي، لكنهما تدقان في نفس الاتجاه إذا تعرضتا للقوة الغريبة التي تتنبأ بها الجسيمات الجديدة. ومن خلال مقارنة سلوك هاتين الحالتين، يمكن للباحثين إلغاء الضجيج الهائل للمجال المغناطيسي للأرض وعزل الإشارة الضئيلة والدقيقة للتفاعل الجديد.

تتمحور التجربة حول كتلة عازلة كثيفة من زرنيخات البزموت (bismuth germanate)، وهي مادة اختيرت لأنها ثقيلة بما يكفي لتوليد إشارة قوية ولكنها لا تسبب ضجيجاً كهربائياً كما تفعل المعادن. توضع هذه الكتلة على بعد خمسين ميكرومتراً فقط أسفل سحابة الذرات—وهي مسافة صغيرة جداً تقل عن عرض شعرة الإنسان. وقد حسب الباحثون أنه إذا تمكنوا من إجراء هذه التجربة لمدة أسبوع واحد، فإن إعدادهم سيكون حساساً بما يكفي لاكتشاف التفاعل بين البروتونات في الكتلة المصدر والبروتونات داخل الذرات. وتشير نتائج تحليلهم إلى أن هذه الطريقة يمكن أن تحسن الحدود المختبرية الحالية بمعامل قدره 5,000 في سيناريو مطور، وبمعامل يزيد عن 300,000 في السيناريو الأكثر تفاؤلاً المحدود كمومياً، وذلك لنطاقات محددة من كتلة الجسيمات. وفي السيناريو الأكثر تفاؤلاً، حيث تصل التجربة إلى الحدود الأساسية لميكانيكا الكم، يمكن أن تتحسن الحساسية بمعامل يتجاوز 300,000، مما يسمح باستكشاف نطاق مسافات يتراوح من بضعة ميكرومترات إلى بضعة مليمترات.

يكمن المفتاح وراء هذه الحساسية القصوى في التصميم الذكي للقياس. يتم تحضير ذرات الروبيديوم بطريقة تخلق مجموعتين متميزتين، أو "مانيفولدز" (manifolds)، تترنح (precess) أو تتذبذب حول محور مغناطيسي. سيؤدي المجال المغناطيسي إلى جعل هاتين المجموعتين تترنحان في اتجاهين متعاكسين، مما يؤدي فعلياً إلى إلغاء بعضهما البعض عند دمج إشاراتهما. ومع ذلك، فإن القوة المفترضة الناتجة عن الجسيمات الجديدة ستدفع كلا المجموعتين في نفس الاتجاه، مما يؤدي إلى تراكم إشاراتهما معاً. وهذا يسمح للباحثين بطرح الضجيج المغناطيسي مع تضخيم الإشارة الغريبة. ولضمان الدقة، يخطط الفريق لتحريك الكتلة المصدر للداخل والخارج من موضعها بشكل متكرر، ومقارنة النتائج لإلغاء أي تأثيرات لا تعتمد على موقع الكتلة. كما يخططون لعكس اتجاه المجال المغناطيسي للقضاء على أي مصادر أخرى محتملة للخطأ.

تحدد الدراسة مسارين محددين للمضي قدماً. المسار الأول، وهو نسخة مطورة من جهازهم الحالي، يتضمن تحسينات مثل درع مغناطيسي أفضل وطريقة أكثر كفاءة لتحميل الذرات في المصيدة. ومن المتوقع أن تصل هذه النسخة إلى حساسية تسمح لهم باختبار وجود هذه الجسيمات بدرجة عالية من الثقة. أما المسار الثاني، الأكثر طموحاً، فيهدف إلى الحد الأقصى من الدقة المسموح به بموجب قوانين ميكانيكا الكم. ويتطلب هذا مزيداً من التحسينات، مثل تمديد الوقت الذي يمكن فيه الاحتفاظ بالذرات في المصيدة وتقليل الضوض الناتجة عن عملية القياس نفسها. وحتى باستخدام المعدات الحالية غير المطورة، يعتقد الباحثون أنه يمكنهم بالفعل تحسين الحدود الحالية للمسافات بين عشرين وثلاثمائة ميكرومتر.

إذا وجدت هذه الجسيمات، فإن القوة التي تتوسطها ستكون ضعيفة للغاية، وتتلاشى بسرعة مع زيادة المسافة بين المصدر والذرات. وقد حسب الباحثون أن إعدادهم سيكون أكثر فعالية في اكتشاف الجسيمات التي تتراوح كتلتها بين 0.3 و50 جزءاً من المليون من إلكترون فولت، وهو نطاق يتوافق مع مسافات تفاعل تبلغ حوالي مائة ميكرومتر. عند هذا المقياس، ستكون التجربة قادرة على استكشاف التفاعل بين البروتونات في المصدر والبروتونات في الذرات بدقة لم تتحقق من قبل. ويشير المؤلفون إلى أنه بينما تستند الحدود الحالية لمثل هذه التفاعلات إلى بيانات من تجارب أخرى، فإن تلك الحدود تعتمد على نماذج معقدة للنوى الذرية التي تثير شكوكاً كبيرة. ومن خلال استخدام نوع واحد من الذرات حيث دور البروتون مفهوم جيداً، يوفر هذا النهج الجديد طريقة مباشرة وأنظف للبحث عن هذه القوة.

تمثل التجربة المقترحة خطوة هامة للأمام في البحث عن فيزياء ما وراء النموذج المعياري. ومن خلال الجمع بين دقة المستشعرات الكمومية والمنهج الذكي لإلغاء الضجيج، رسم الباحثون مساراً لاستكشاف منطقة لم تكن معروفة من قبل. وبينما يظل اكتشاف هذه الجسيمات احتمالاً وليس يقيناً، فإن حساسية الإعداد المقترح تعني أنه إذا كانت القوة موجودة ضمن النطاق المتوقع، فمن المرجح العثور عليها. وإذا لم تكن القوة موجودة، فستوفر التجربة أيضاً معلومات حاسمة، مما يستبعد مجموعة واسعة من النماذج النظرية ويضيق نطاق البحث عن القطع المفقودة في لغزنا الكوني. ويقف هذا العمل كشهادة على قوة استخدام الخصائص الغريبة والجميلة لميكانيكا الكم للإجابة على الأسئلة الأكثر عمقاً حول طبيعة الواقع.