Configuração especial usa rubídio polarizado e xenônio como sistema transmissor e receptor para campos exóticos

1º de fevereiro de 2023

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por Universitaet Mainz

Na busca por novas forças e interações além do Modelo Padrão, uma equipe internacional de pesquisadores envolvendo o PRISMA Cluster of Excellence da Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) e o Helmholtz Institute Mainz deu agora um bom passo à frente. Os pesquisadores, entre eles o Prof. Dr. Dmitry Budker, estão usando uma técnica de amplificação baseada em ressonância magnética nuclear.

Em seu trabalho publicado recentemente na Science Advances, eles usam sua configuração experimental para estudar uma interação exótica particular entre os spins: uma interação de violação de paridade mediada por uma nova partícula de troca hipotética, chamada de bóson Z', que existe além do bóson Z mediando a interação fraca no Modelo padrão.

Na configuração atual, eles não conseguiram detectar essa partícula, mas conseguiram aumentar a sensibilidade em cinco ordens de grandeza em comparação com as medições anteriores. Isso permite que os pesquisadores estabeleçam restrições na força da interação da nova partícula de troca com as partículas do Modelo Padrão que são complementares às observações astrofísicas e abrem uma região anteriormente inacessível.

Numerosas teorias prevêem a existência de interações exóticas além do Modelo Padrão. Elas diferem das quatro interações conhecidas e são mediadas por partículas de troca previamente desconhecidas. Em particular, as interações que violam a paridade, ou seja, onde a simetria do espelho é quebrada, estão atualmente experimentando um interesse especial.

Por um lado, porque isso indicaria imediatamente o tipo particular de nova física com a qual estamos lidando e, por outro lado, porque seus efeitos são mais fáceis de separar de efeitos sistemáticos espúrios, que geralmente não apresentam quebra de simetria especular. "Neste artigo, examinamos de perto essa interação entre os spins dos elétrons e os spins dos nêutrons, mediada por um hipotético bóson Z'. Em um mundo espelhado, essa interação levaria a um resultado diferente; a paridade é violados aqui", explica Dmitry Budker.

Este "resultado" se parece com isto: Os spins do elétron dentro de uma fonte estão todos alinhados em uma direção, ou seja, polarizados, e a polarização é continuamente modulada, criando assim um campo exótico que é percebido como um campo magnético e pode ser medido usando um sensor . Em um mundo espelhado, o campo exótico não apontaria na mesma direção que seria esperado em uma imagem espelhada "real", mas na direção oposta: a paridade dessa interação é violada.

"Amplificador de rotação para pesquisa em física de partículas" - SAPPHIRE para abreviar - é o que os pesquisadores chamaram de sua configuração, que é baseada nos dois elementos rubídio e xenônio. Eles já usaram essa técnica de forma semelhante para procurar outras interações exóticas e campos de matéria escura.

Especificamente, na busca experimental por interações spin-spin exóticas, duas câmaras preenchidas com o vapor de um dos dois elementos são posicionadas próximas umas das outras: "Em nosso experimento, usamos spins de elétrons polarizados de átomos de rubídio-87 como uma fonte de spin e spins de nêutrons polarizados do gás nobre xenônio, ou mais precisamente o isótopo xenônio-129, como um sensor de spin", diz Dmitry Budker.

O truque é que a estrutura especial e os átomos de xenônio polarizados no sensor de spin inicialmente amplificam o campo gerado na fonte de rubídio: assim, o efeito desencadeado por um potencial campo exótico seria um fator 200 maior. Agora entra em jogo o princípio da ressonância magnética nuclear, ou seja, o fato de que os spins nucleares reagem a campos magnéticos que oscilam em uma certa frequência de ressonância. Átomos de rubídio-87 também estão presentes em pequena proporção na célula sensora para esse fim. Eles, por sua vez, atuam como um magnetômetro extremamente sensível para determinar a força do sinal de ressonância.