La medición de pequeños cambios en las frecuencias de transición en diferentes isótopos del mismo átomo puede sondear la existencia de una hipotética partícula de materia oscura, ϕ, que media una interacción entre neutrones y electrones. Crédito:Counts et al.
Las partículas extremadamente ligeras y que interactúan débilmente pueden desempeñar un papel crucial en la cosmología y en la búsqueda continua de materia oscura. Desafortunadamente, sin embargo, estas partículas hasta ahora han resultado muy difíciles de detectar utilizando colisionadores de alta energía existentes. Por lo tanto, investigadores de todo el mundo han estado tratando de desarrollar tecnologías y métodos alternativos que podrían permitir la detección de estas partículas.
En los ultimos años, Las colaboraciones entre físicos atómicos y de partículas que trabajan en diferentes institutos en todo el mundo han llevado al desarrollo de una nueva técnica que podría usarse para detectar interacciones entre bosones muy ligeros y neutrones o electrones. Bosones ligeros, De hecho, debería cambiar los niveles de energía de los electrones en átomos e iones, un cambio que podría detectarse utilizando la técnica propuesta por estos equipos de investigadores.
Usando este método, dos grupos de investigación diferentes (uno en la Universidad de Aarhus en Dinamarca y el otro en el Instituto de Tecnología de Massachusetts) realizaron recientemente experimentos destinados a recopilar indicios de la existencia de bosones oscuros, partículas escurridizas que se encuentran entre los candidatos o mediadores de materia oscura más prometedores para un sector oscuro. Sus hallazgos, publicado en Cartas de revisión física , podría tener implicaciones importantes para futuros experimentos de materia oscura.
Teóricamente interacciones entre partículas que nunca antes se habían observado, como los bosones, y otras partículas comunes (p. ej., electrones), debería reflejarse en una discrepancia entre las frecuencias de transición predichas por el Modelo Estándar y las medidas en átomos reales. Incluso si los físicos pueden recopilar mediciones de frecuencia extremadamente precisas, Los cálculos basados en la teoría para átomos grandes tendrán un margen de incertidumbre tan grande que no se pueden comparar de manera confiable con las mediciones directas.
"El truco utilizado en trabajos anteriores consistía en realizar mediciones de frecuencia de las mismas transiciones en varios isótopos del elemento a, y volviendo a un ansatz de los '60 (King '63), "Elina Fuchs, un físico teórico en Fermilab y la Universidad de Chicago que colaboró con el equipo de la Universidad de Aarhus, dijo Phys.org. "La diferencia entre la misma transición en dos isótopos diferentes se llama cambio de isótopos. Al comparar al menos tres de estos cambios de isótopos de al menos dos transiciones, ya no es necesario depender de los cálculos de las frecuencias en el Modelo Estándar. En lugar de, nuestro método usa solo las medidas, organizados en 3 puntos de datos que son cada uno un par de las dos frecuencias de transición medidas en un gráfico llamado King. Entonces la pregunta es bastante simple:¿Los tres puntos se encuentran en una línea recta, como se esperaba en el modelo estándar? "
La técnica utilizada por el equipo de Aarhus, dirigido por Michael Drewsen, así como por el equipo de investigación del MIT dirigido por Vladan Vuletic, esencialmente implica el examen de los cambios de isótopos organizados en 4 puntos de datos. Si estos puntos forman una línea recta, las observaciones están alineadas con el modelo estándar, lo que sugiere que no se detectó nueva física. Si no están en línea recta, sin embargo, esto podría indicar la presencia de nuevos bosones u otros fenómenos físicos.
Si la no linealidad observada usando este método excede significativamente las barras de error establecidas por el Modelo Estándar, entonces los investigadores deberían poder establecer nuevos límites en los acoplamientos y la masa del bosón que pueden haber detectado. Sin embargo, si es inesperadamente grande, la no linealidad podría estar asociada con un bosón que perturbó los niveles de energía de un electrón o con otros fenómenos físicos predichos por el Modelo Estándar que también se sabe que rompen la linealidad de los cambios de isótopos.
"La búsqueda de nuevos bosones utilizando la no linealidad de la trama de King es una de las numerosas búsquedas de nueva física que utilizan experimentos atómicos o moleculares de precisión en lugar de colisionadores de alta energía, "Julián Berengut, otro teórico del equipo de Aarhus, que trabaja en UNSW en Sydney, Australia, y llevó a cabo el estudio reciente, dijo Phys.org. "La idea detrás de todas estas búsquedas es que, con alta precisión, puede sondear los efectos sutiles de las partículas que quizás no pueda detectar fácilmente en los colisionadores. Generalmente, estos experimentos son mucho más pequeños y mucho más baratos que los experimentos con colisionadores, y proporcionan un enfoque complementario. Nuestro papel así como el adyacente del grupo de Vladan Vuletic en el MIT, son realmente las primeras mediciones dedicadas recopiladas utilizando el método de no linealidad del gráfico de King ".
Tanto el grupo de investigación de Vuletic como el equipo de Drewsen recopilaron sus medidas utilizando una técnica conocida como espectroscopia de precisión. Esta técnica se puede utilizar para recopilar mediciones de frecuencia muy precisas en átomos, por ejemplo, registrar las frecuencias exhibidas cuando un átomo pasa de un estado a otro. En sus experimentos, el equipo del MIT y los investigadores de la Universidad de Aarhus examinaron diferentes iones:iones de iterbio y calcio, respectivamente.
"Nuestro objetivo principal era probar nuevas fuerzas más allá de las conocidas actualmente (como se describe en el Modelo Estándar) y excluirlas en un cierto nivel, "Vladan Vuletic, el investigador que dirigió el grupo en el MIT, dijo Phys.org. "Esta prueba ya se había hecho antes, pero no con la precisión que logramos. Simultáneamente con nuestro trabajo, el grupo dirigido por Michael Drewsen en Dinamarca midió transiciones similares unas 10 veces más precisamente, pero en un átomo con aproximadamente 10 veces menos sensibilidad a nuevos efectos que el átomo que usamos, así que la sensibilidad de nuestro experimento y el de Drewsen terminaron siendo más o menos la misma ".
Para realizar una búsqueda eficaz de bosones oscuros utilizando el método basado en espectroscopia de precisión, Los físicos necesitan medir las transiciones ópticas en diferentes isótopos del mismo elemento a 10 15 Hz con una precisión de sub-kHz (es decir, con una precisión fraccionaria de 1 parte en 10 12 o mejor). Para hacer esto, las partículas que examinarán deben quedar atrapadas. Vuletic y sus colegas atraparon los iones de iterbio que usaban en lo que se conoce como una 'trampa de Paul'. utilizando campos eléctricos oscilantes. Probaron estos iones con un láser muy estable, que estabilizaron mediante un resonador óptico con espejos altamente reflectantes.
"Medimos la frecuencia de un isótopo durante media hora escaneando la frecuencia del láser, luego cambió a otro isótopo, medido durante 30 minutos, volvió al primer isótopo, y promedió las medidas después de cada día de trabajo, "Dijo Vuletic." Al día siguiente, mediríamos otro par de isótopos, etcétera."
Como se basan en mediciones de muy alta precisión, los experimentos llevados a cabo por los grupos de Vuletic y Drewsen son muy difíciles de realizar. De hecho, requieren un buen control tanto de los iones atrapados como de las diferentes fuentes láser utilizadas para la ionización, enfriamiento y espectroscopia.
El equipo de la Universidad de Aarhus recopiló mediciones aún más precisas que el grupo de Vuletic, alcanzando una precisión sin precedentes de 20 Hz en la denominada estructura D-fina de ~ 2 THz que se divide en cinco Ca + isótopos, que corresponde a una precisión relativa de 10 -11 . En sus experimentos, utilizaron una serie de herramientas y técnicas tecnológicas desarrolladas durante el siglo pasado, incluyendo trampas de iones, métodos de enfriamiento por láser y una herramienta especial conocida como láser de peine de frecuencia de femtosegundos.
"La invención del llamado láser de peine de frecuencia de femtosegundos alrededor del año 2000 es lo que hizo posible sondear con mucha precisión los niveles de energía electrónica de la división de estructura fina D, utilizando un método que demostramos recientemente en la Universidad de Aarhus, "Cyrille Solaro, uno de los investigadores de la Universidad de Aarhus que llevó a cabo el estudio reciente, dijo Phys.org. "Aunque no es comparable en términos de tamaño e inversiones a los enormes esfuerzos colectivos del CERN, Es notable que tales experimentos 'de mesa' puedan contribuir a explorar algunas de las mismas preguntas fundamentales en la ciencia, abordar principalmente partículas más ligeras, y se ha producido un progreso experimental significativo en el corto período de tiempo de sólo unos pocos años ".
Además de la notable e incomparable precisión, ambos equipos de investigación midieron 4 cambios de isótopos utilizando 5 isótopos diferentes, mientras que los estudios anteriores recopilaron mediciones para un máximo de 4 isótopos. Por último, sus experimentos les permitieron mejorar el límite en el acoplamiento de un nuevo bosón a electrones y neutrones en un factor de 30 en comparación con el límite anterior, que también se estableció en base a un diagrama de King de cambios de isótopos (es decir, utilizando la misma técnica).
"Nuestro límite fuertemente mejorado no es más fuerte que el existente derivado de la combinación de dos formas complementarias de probar los acoplamientos (la dispersión de neutrones y el momento magnético del electrón), pero destaca el progreso rápido y significativo que se puede lograr con el método de la trama King, "Dijo Fuchs." Además, señalamos el margen realista para una mejora adicional del límite si esta transición de división de estructura fina D se mide en Ca, Iones Ba o Yb con precisión actual o futura, mostrando que los acoplamientos y masas no probados hasta ahora se pueden probar con la precisión factible de 10 mHz. Tal precisión también permitirá una prueba independiente de la anomalía Be ".
Si bien las mediciones recopiladas por el equipo de la Universidad de Aarhus eran lineales y, por lo tanto, estaban alineadas con las predicciones del modelo estándar, El equipo de Vuletic observó una desviación de la linealidad con una significación estadística de 3 sigma. Si bien esta desviación podría deberse a términos adicionales dentro del Modelo Estándar, también puede insinuar la existencia de bosones oscuros.
"Existe amplia evidencia de que hay física más allá del Modelo Estándar (por ejemplo, sabemos que hay Materia Oscura en el universo), pero no tenemos idea de qué constituye esta nueva física, "Vuletic dijo." Es importante buscar experimentalmente en diferentes direcciones para excluir ciertas posibilidades, o si uno tiene mucha suerte, para encontrar nueva física o una nueva partícula en alguna parte. Buscamos partículas en un rango de masa intermedio, donde en realidad tenemos una mejor sensibilidad que las búsquedas directas que utilizan aceleradores de partículas, ya que tenemos un grado extraordinario de control sobre el sistema a nivel de átomo individual y cuántico ".
Tanto el equipo del MIT como el grupo de la Universidad de Aarhus planean realizar más búsquedas de bosones oscuros y otros candidatos a materia oscura utilizando espectroscopía de alta resolución y mediante diagramas de King de cambios de isótopos. En última instancia, su trabajo podría allanar el camino hacia la observación experimental de señales asociadas con la materia oscura.
"Ahora continuaremos nuestra búsqueda con mayor precisión y en nuevas transiciones donde se espera que las no linealidades sean aún mayores, ", Dijo Vuletic." Esto finalmente nos permitirá identificar la fuente de la no linealidad que observamos; si proviene de la estructura nuclear, o de hecho de una nueva física que antes se desconocía ".
En sus próximos estudios, el equipo de la Universidad de Aarhus intentará medir los cambios de isótopos con una precisión aún mayor, ya que esto podría permitirles establecer nuevos límites o detectar nuevas desviaciones de las predicciones del Modelo Estándar. Mientras tanto, los miembros del equipo también seguirán explorando una variedad de otros temas, que van desde la mejora de la espectroscopia de precisión y la interferometría hasta la física de los colisionadores para investigar las propiedades del bosón de Higgs o buscar nuevas partículas pesadas.
"En particular, hemos establecido contacto con el Prof. Hua Guan, en la Academia China de Ciencias en Wuhan, Porcelana, para iniciar una colaboración destinada a mejorar la sensibilidad del gráfico de Ca + King en un factor de ~ 1000, "Michael Drewsen, quién dirigió el equipo en Aarhus, dijo Phys.org. "Esto se puede lograr a través de una medición ~ 1000 veces más precisa de la división de la estructura D-fine realizada en la Universidad de Aarhus mediante la explotación del entrelazamiento cuántico de dos iones de isótopos diferentes, y mediciones de la transición S-D con una precisión relativa de 10 -17 por el grupo de Wuhan ".
Además del método experimental que utilizaron hasta ahora, Fuchs y sus colegas del Instituto de Ciencia Weizmann en Israel están considerando la posibilidad de medir los cambios de isótopos de los estados de Rydberg. Esta versión alternativa de su experimento solo requeriría dos isótopos.
"Tengo muchas esperanzas sobre la posibilidad de mejorar nuestro experimento aprovechando los estudios de precisión recientemente disponibles en iones de calcio altamente cargados, Berengut concluyó. Con estos datos adicionales, deberíamos ser capaces de eliminar cualquier efecto sistemático potencial y asegurarnos de aprovechar al máximo nuestras parcelas de King ".
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