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

In het uitgestrekte landschap van de moderne natuurkunde dient het Standaardmodel als onze beste kaart van het universum, waarin de fundamentele deeltjes die alles vormen wat we zien, worden gecatalogiseerd. Toch heeft deze kaart hiaten. Het verklaart niet waarom het universum uit materie bestaat in plaats van antimaterie, noch houdt het rekening met de onzichtbare substantie die bekend staat als donkere materie. Natuurkundigen vermoeden dat er binnen deze hiaten nieuwe, lichtgewicht deeltjes verborgen liggen die nog nooit direct zijn waargenomen. Onder de meest veelbelovende kandidaten zijn hypothetische spin-nul bosonen, deeltjes die kunnen fungeren als boodschappers tussen gewone materie en de mysterieuze donkere sector. Als deze deeltjes bestaan, zouden ze een zeer vreemde kracht creëren: een kracht die afhangt van de oriëntatie van de spin van een deeltje, een eigenschap die vergelijkbaar is met een piekleine interne kompasnaald. Deze kracht zou fundamentele symmetrieën van de natuur schenden, door anders te gedragen als de tijd wordt omgekeerd of als het universum in een spiegel wordt bekeken. Het detecteren van een dergelijke kracht zou een monumentale ontdekking zijn, die potentieel ons begrip van het kosmos zou herschrijven en de aard van donkere materie zou onthullen.

Om op jacht te gaan naar deze ongrijpbare deeltjes, hebben onderzoekers zich gericht op een uiterst gevoelig experiment met een wolk van atomen die gekoeld zijn tot temperaturen nabij het absolute nulpunt. In een recente studie stelden wetenschappers voor om gebruik te maken van een speciale aggregatietoestand van materie, een Bose-Einsteincondensaat, waarbij duizenden atomen hun individuele identiteit verliezen en zich gedragen als één enkele, coherente golf. Specifiek richtten zij zich op een wolk rubidiumatomen, die in twee verschillende interne energietoestanden tegelijkertijd kunnen bestaan. Deze twee toestanden fungen als een paar gesynchroniseerde klokken die in tegengestelde richting tikken wanneer ze worden blootgesteld aan een magnetisch veld, maar in dezelfde richting tikken als ze worden blootgesteld aan de exotische kracht die door de nieuwe deeltjes wordt voorspeld. Door het gedrag van deze twee toestanden te vergelijken, kunnen de onderzoekers de overweldigende ruis van het aardmagnetisch veld wegfilteren en het minuscule, subtiele signaal van de nieuwe interactie isoleren.

Het experiment draait om een dichte, isolerende blok bismuthgermanaat, een materiaal dat is gekozen omdat het zwaar genoeg is om een sterk signaal te generen, maar geen elektrische ruis veroorzaakt zoals metalen dat zouden doen. Dit blok wordt op slechts vijftig micrometer onder de wolken van atomen geplaatst—een afstand die zo klein is dat deze minder is dan de breedte van een menselijke haar. De onderzoekers berekenden dat als zij dit experiment één week lang zouden kunnen uitvoeren, hun opstelling gevoelig genoeg zou zijn om de interactie tussen de protonen in het bronblok en de protonen in de atomen te detecteren. De resultaten van hun analyse suggereren dat deze methode de bestaande laboratoriumlimieten kan verbeteren met een factor 5.000 in een geüpgradede scenario, en met een factor van meer dan 300.000 in het meest optimistische quantumgelimiteerde scenario, voor specifieke bereiken van deeltjesmassa. In het meest optimistische scenario, waarin het experiment de fundamentele limieten van de kwantummechanica bereikt, zou de gevoeligheid met een factor van meer dan 300.000 kunnen verbeteren, waarbij een bereik van afstanden van enkele micrometers tot enkele millimeters wordt verkend.

De sleutel tot deze extreme gevoeligheid ligt in het slimme ontwerp van de meting. De rubidiumatomen worden voorbereid op een manier die twee verschillende groepen, of manifolds, creëert die precesseren, of wiebelen, rond een magnetische as. Een magnetisch veld zou ervoor zorgen dat deze twee groepen in tegengestelde richtingen wiebelen, waardoor ze elkaar effectief opheffen wanneer hun signalen worden gecombineerd. Echter, de hypothetische kracht van de nieuwe deeltjes zou beide groepen in dezelfde richting duwen, waardoor hun signalen bij elkaar optellen. Dit stelt de onderzoekers in staat om de magnetische ruis te aftrekken terwijl ze het exotische signaal versterken. Om de nauwkeurigheid te waarborgen, plant het team om het bronblok herhaaldelijk in en uit positie te bewegen, waarbij de resultaten worden vergeleken om effecten te elimineren die niet afhankelijk zijn van de locatie van het blok. Ze zijn ook van plan de richting van het magnetische veld om te keren om andere potentiële bronnen van fouten te elimineren.

De studie schetst twee specifieke paden voorwaarts. Het eerste pad, een geüpgradede versie van hun huidige apparaat, omvat verbeteringen zoals een beter magnetisch scherm en een efficiëntere manier om atomen in de val te laden. Deze versie is geprojecteerd om een gevoeligheid te bereiken waarmee zij de existentie van deze deeltjes met een hoge mate van vertrouwen kunnen testen. Het tweede, ambitieuzere pad streeft naar de ultieme limiet van precisie die door de wetten van de kwantummechanica wordt toegestaan. Dit zou verdere verfijningen vereisen, zoals het verlengen van de tijd dat de atomen in de val kunnen worden vastgehouden en het verminderen van de ruis van het meetproces zelf. Zelfs met de huidige, niet-geüpgradede apparatuur geloven de onderzoekers dat zij al de bestaande limieten kunnen verbeteren voor afstanden tussen twintig en driehonderd micrometer.

Als deze deeltjes bestaan, zou de kracht die zij bemiddelen ongelooflijk zwak zijn, en snel afnemen naarmate de afstand tussen de bron en de atomen toeneemt. De onderzoekers berekenden dat hun opstelling het meest effectief zou zijn voor het detecteren van deeltjes met massa's tussen 0,3 en 50 miljoenste van een elektronvolt, een bereik dat overeenkomt met interactieafstanden van ongeveer honderd micrometer. Op deze schaal zou het experiment in staat zijn om de interactie tussen de protonen in de bron en de protonen in de atomen te verkennen met een precisie die nog nooit eerder is bereikt. De auteurs merken op dat hoewel de huidige limieten op dergelijke interacties gebaseerd zijn op gegevens van andere experimenten, die limieten steunen op complexe modellen van atoomkernen die aanzienlijke onzekerheid introduceren. Door gebruik te maken van een enkel type atoom waarbij de rol van het proton goed begrepen is, biedt deze nieuwe benadering een directe en schonere manier om naar de kracht te zoeken.

Het voorgestelde experiment vormt een belangrijke stap voorwaarts in de zoektocht naar fysica buiten het Standaardmodel. Door de precisie van kwantumsensoren te combineren met een slimme methode voor het elimineren van ruis, hebben de onderzoekers een pad uitgezet om een voorheen onontgonnen gebied te verkennen. Hoewel de detectie van deze deeltjes een mogelijkheid is in plaats van een zekerheid, betekent de gevoeligheid van de voorgestelde opstelling dat als de kracht binnen het voorspelde bereik bestaat, deze waarschijnlijk gevonden zal worden. Als de kracht niet bestaat, zal het experiment nog steeds cruciale informatie leveren door een breed scala aan theoretische modellen uit te sluiten en de zoektocht naar de ontbrekende stukjes van onze kosmische puzzel te verkleinen. Het werk staat als een testament voor de kracht van het gebruik van de vreemde en prachtige eigenschappen van de kwantummechanica om de meest diepgaande vragen over de aard van de realiteit te beantwoorden.