Materia oscura: un rivelatore quantistico Floquet per vincolarla

Un team di ricercatori affiliato a diverse istituzioni in Israele ha utilizzato un rivelatore quantistico Floquet per vincolare la materia oscura simile a un assione, sperando di ridurre lo spazio dei suoi parametri. Nel loro articolo pubblicato sulla rivista Science Advances, il gruppo descrive il loro approccio per vincolare la particella teorica di materia oscura come mezzo per saperne di più sulle sue proprietà.

La materia oscura rimane un mistero

Nonostante diversi anni di sforzi da parte dei fisici di tutto il mondo, la materia oscura rimane un mistero. La maggior parte dei fisici concorda sul fatto che esista, ma finora nessuno è stato in grado di dimostrarlo. Una teoria promettente che coinvolge l’esistenza di particelle massicce interagenti ha iniziato a perdere la sua lucentezza e alcuni team stanno cercando qualcos’altro.

In questo nuovo sforzo, i ricercatori cercano assioni o particelle simili ad assioni. È stato teorizzato che tali particelle di materia oscura siano a rotazione zero e in grado di possedere un numero qualsiasi di combinazioni di massa e forza di interazione. Il team ha cercato di limitare le caratteristiche delle particelle simili ad assioni per ridurre il numero di possibilità della loro esistenza e quindi aumentare le possibilità di dimostrarne l’esistenza.

I ricercatori hanno utilizzato una cella di vetro schermata riempita con atomi di rubidio-85 e xeno-129. Hanno sparato due laser sulla cellula, uno per polarizzare lo spin elettronico degli atomi di rubidio e lo spin nucleare dello xeno, e l’altro per misurare i cambiamenti di spin. L’esperimento si basava sull’idea che il campo oscillante degli assioni avrebbe avuto un impatto sulla rotazione dello xeno quando si trovavano in prossimità. I ricercatori hanno quindi applicato un campo magnetico alla cellula come mezzo per bloccare la rotazione dello xeno all’interno di un ristretto intervallo di frequenze, consentendo loro di scansionare le possibili frequenze di oscillazione che corrispondono all’intervallo delle particelle simili a assioni.

FIGURA. 1. Rivelatore quantistico Floquet per la ricerca di DM ultraleggeri simili ad assioni.(A) Mentre la Terra si muove attraverso la galassia della Via Lattea, attraversa l'alone DM con una velocità viriale media v vir . (B e C) Il rivelatore Floquet è composto da un denso insieme di gas 129 Xe polarizzato in spin , che può interagire in modo risonante con il DM simile a un assione in movimento. L'interazione è sotto forma di un campo magnetico anomalo, che penetra negli schermi del rivelatore che deviano i campi magnetici regolari. La precessione di spin è monitorata tramite un magnetometro ottico in situ che utilizza 85 Rb di vapore che è guidato magneticamente da un forte campo di Floquet B F . (D) Struttura a livello energetico dello spin nucleare di 129Xe. Il campo DM che oscilla vicino alla frequenza di risonanza NMR dello xeno con ampiezza b DM può guidare i flip collettivi di rotazione dell'insieme in modo coerente, ruotando la direzione netta dell'insieme polarizzato di spin di un angolo θ Xe . (E) Spettro Floquet degli spin da 85 Rb vestiti da n fotoni RF. I salti collettivi di spin dell'insieme polarizzato di 85 Rb da parte del campo di xeno a precessione lenta (θ Xe b Xe ) sono notevolmente migliorati quando la divisione dell'energia di Rb è ampia (f Rb ≳ Γ Rb ). Ad esempio, l'assorbimento di un fotone RF del campo di Floquet nella transizione (∣↓, n ⟩ → ∣↑, n− 1⟩) è incrementato di un fattore η F rispetto a uno spin flip (∣↓⟩ → ∣↑⟩) in assenza del drive Floquet ( n = 0). Questa transizione fa da ponte tra il grande disadattamento di frequenza delle risonanze di spin dell'elettrone ( 85 Rb) e del nucleare ( 129 Xe) e consente un rilevamento efficiente a frequenze superiori a quelle misurate in precedenza.
FIGURA. 1. Rivelatore quantistico Floquet per la ricerca di DM ultraleggeri simili ad assioni.(A) Mentre la Terra si muove attraverso la galassia della Via Lattea, attraversa l’alone DM con una velocità viriale media v vir . (B e C) Il rivelatore Floquet è composto da un denso insieme di gas 129 Xe polarizzato in spin , che può interagire in modo risonante con il DM simile a un assione in movimento. L’interazione è sotto forma di un campo magnetico anomalo, che penetra negli schermi del rivelatore che deviano i campi magnetici regolari. La precessione di spin è monitorata tramite un magnetometro ottico in situ che utilizza 85 Rb di vapore che è guidato magneticamente da un forte campo di Floquet B F . (D) Struttura a livello energetico dello spin nucleare di 129Xe. Il campo DM che oscilla vicino alla frequenza di risonanza NMR dello xeno con ampiezza b DM può guidare i flip collettivi di rotazione dell’insieme in modo coerente, ruotando la direzione netta dell’insieme polarizzato di spin di un angolo θ Xe . (E) Spettro Floquet degli spin da 85 Rb vestiti da n fotoni RF. I salti collettivi di spin dell’insieme polarizzato di 85 Rb da parte del campo di xeno a precessione lenta (θ Xe b Xe ) sono notevolmente migliorati quando la divisione dell’energia di Rb è ampia (f Rb ≳ Γ Rb ). Ad esempio, l’assorbimento di un fotone RF del campo di Floquet nella transizione (∣↓, n ⟩ → ∣↑, n− 1⟩) è incrementato di un fattore η F rispetto a uno spin flip (∣↓⟩ → ∣↑⟩) in assenza del drive Floquet ( n = 0). Questa transizione fa da ponte tra il grande disadattamento di frequenza delle risonanze di spin dell’elettrone ( 85 Rb) e del nucleare ( 129 Xe) e consente un rilevamento efficiente a frequenze superiori a quelle misurate in precedenza.

In questo scenario, si teorizza che il campo di Floquet abbia una frequenza approssimativamente uguale alla differenza tra la risonanza magnetica nucleare(NMR) e la risonanza paramagnetica degli elettroni, e il loro esperimento colma questa lacuna.

I ricercatori hanno effettuato il loro esperimento 3.000 volte in cinque mesi, aggiungendo ogni volta al campo NMR. Non hanno trovato alcun segno di materia oscura, ma hanno limitato il limite superiore dell’accoppiamento di particelle simili ad assioni, un ulteriore passo verso la dimostrazione dell’esistenza della materia oscura.

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