Ein spezieller Aufbau nutzt polarisiertes Rubidium und Xenon als Sender- und Empfängersystem für exotische Felder

1. Februar 2023

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von der Universität Mainz

Auf der Suche nach neuen Kräften und Wechselwirkungen jenseits des Standardmodells ist ein internationales Forscherteam unter Beteiligung des Exzellenzclusters PRISMA der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und des Helmholtz-Instituts Mainz nun einen großen Schritt vorangekommen. Die Forscher, darunter Prof. Dr. Dmitry Budker, nutzen eine Verstärkungstechnik auf Basis der Kernspinresonanz.

In ihrer kürzlich in Science Advances veröffentlichten Arbeit untersuchen sie mithilfe ihres Versuchsaufbaus eine besondere exotische Wechselwirkung zwischen Spins: eine paritätsverletzende Wechselwirkung, die durch ein neues hypothetisches Austauschteilchen namens Z'-Boson vermittelt wird, das zusätzlich zum Z-Boson existiert Vermittlung der schwachen Wechselwirkung im Standardmodell.

Im aktuellen Aufbau konnten sie dieses Teilchen zwar nicht nachweisen, konnten aber die Empfindlichkeit im Vergleich zu früheren Messungen um fünf Größenordnungen steigern. Dadurch können Forscher die Stärke der Wechselwirkung des neuen Austauschteilchens mit Teilchen des Standardmodells einschränken, die astrophysikalische Beobachtungen ergänzen und einen bisher unzugänglichen Bereich eröffnen.

Zahlreiche Theorien sagen die Existenz exotischer Wechselwirkungen jenseits des Standardmodells voraus. Sie unterscheiden sich von den vier bekannten Wechselwirkungen und werden durch bisher unbekannte Austauschteilchen vermittelt. Insbesondere paritätsverletzende Wechselwirkungen, also Wechselwirkungen, bei denen die Spiegelsymmetrischheit gebrochen ist, erfahren derzeit ein besonderes Interesse.

Einerseits, weil dies sofort auf die besondere Art der neuen Physik hinweisen würde, mit der wir es zu tun haben, und andererseits, weil ihre Auswirkungen leichter von falschen systematischen Effekten zu trennen sind, die normalerweise keine Spiegelsymmetriebrechung zeigen. „Im aktuellen Artikel werfen wir einen genauen Blick auf eine solche Wechselwirkung zwischen den Spins von Elektronen und den Spins von Neutronen, vermittelt durch ein hypothetisches Z‘-Boson. In einer gespiegelten Welt würde diese Wechselwirkung zu einem anderen Ergebnis führen; Parität ist.“ hier verletzt“, erklärt Dmitry Budker.

Dieses „Ergebnis“ sieht so aus: Die Elektronenspins innerhalb einer Quelle sind alle in eine Richtung ausgerichtet, also polarisiert, und die Polarisation wird kontinuierlich moduliert, wodurch ein exotisches Feld entsteht, das als Magnetfeld wahrgenommen wird und mit einem Sensor gemessen werden kann . In einer gespiegelten Welt würde das exotische Feld nicht in die gleiche Richtung zeigen, wie man es in einem „echten“ Spiegelbild erwarten würde, sondern in die entgegengesetzte Richtung: Die Parität dieser Wechselwirkung ist verletzt.

„Spin Amplifier for Particle PHysIcs REsearch“ – kurz SAPPHIRE – nennen die Forscher ihren Aufbau, der auf den beiden Elementen Rubidium und Xenon basiert. In ähnlicher Form nutzten sie diese Technik bereits zur Suche nach anderen exotischen Wechselwirkungen und nach Feldern der Dunklen Materie.

Konkret werden bei der experimentellen Suche nach exotischen Spin-Spin-Wechselwirkungen zwei mit dem Dampf eines der beiden Elemente gefüllte Kammern in unmittelbarer Nähe zueinander positioniert: „In unserem Experiment verwenden wir polarisierte Elektronenspins von Rubidium-87-Atomen.“ „Eine Spinquelle und polarisierte Neutronenspins des Edelgases Xenon, genauer gesagt des Isotops Xenon-129, als Spinsensor“, sagt Dmitry Budker.

Der Trick besteht darin, dass die spezielle Struktur und die polarisierten Xenon-Atome im Spinsensor zunächst das in der Rubidiumquelle erzeugte Feld verstärken: Der durch ein potenziell exotisches Feld ausgelöste Effekt wäre also um den Faktor 200 größer. Nun kommt das Prinzip der Kernspinresonanz ins Spiel, also die Tatsache, dass Kernspins auf Magnetfelder reagieren, die mit einer bestimmten Resonanzfrequenz schwingen. Zu einem geringen Anteil sind zu diesem Zweck auch Rubidium-87-Atome in der Sensorzelle vorhanden. Sie fungieren wiederum als äußerst empfindliche Magnetometer, um die Stärke des Resonanzsignals zu bestimmen.

Der Nachweis eines solchen exotischen Feldes im richtigen Frequenzbereich wäre dann der Schlüssel zu der neuen Wechselwirkung, nach der wir suchen. Weitere spezielle experimentelle Details sorgen dafür, dass der Aufbau im interessierenden Frequenzbereich besonders empfindlich und weniger empfindlich gegenüber Störeffekten anderer Magnetfelder ist, die zwangsläufig auch im Experiment auftreten.

„Alles in allem handelt es sich um einen ziemlich komplizierten Aufbau, der eine sorgfältige Konstruktion und Kalibrierung erforderte. Es ist äußerst lohnend, mit unseren langjährigen Mitarbeitern von der University of Science and Technology (USTC) in Hefei an solch anspruchsvollen und interessanten Problemen zu arbeiten.“ , China, das das Experiment ausgerichtet hat“, berichtet Dmitry Budker.

Nach erfolgreichem Proof-of-Principle begannen die Wissenschaftler mit der ersten Messreihe, um nach der exotischen Wechselwirkung zu suchen. Obwohl es ihnen nach 24-stündigen Messungen noch nicht gelungen ist, ein entsprechendes Signal zu finden, ermöglichte ihnen die Erhöhung der Empfindlichkeit um fünf Größenordnungen, Beschränkungen für die Stärke der Wechselwirkung des neuen Austauschteilchens mit Teilchen des Standardmodells festzulegen.

Eine weitere Optimierung könnte die experimentelle Empfindlichkeit gegenüber der speziellen exotischen Wechselwirkung sogar um weitere acht Größenordnungen verbessern. Dies lässt es möglich erscheinen, mit dem hochempfindlichen SAPPHIRE-Aufbau eine neue Physik mit potenziellen Z'-Bosonen zu entdecken und zu untersuchen.

Mehr Informationen: Yuanhong Wang et al., Suche nach exotischen Paritätsverletzungswechselwirkungen mit Quantenspinverstärkern, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.ade0353

Zeitschrifteninformationen:Wissenschaftliche Fortschritte

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