Objavljeni prvi rezultati eksperimenta ALPS II: Korišćen najosetljiviji instrument za detektovanje aksiona

Fizičari iz kolaboracije ALPS II objavili su prve rezultate eksperimenta Any-Light-Particle-Search (ALPS) II, najosetljivijeg instrumenta ove vrste koji se koristi u potrazi za hipotetičkim aksionima. Naučna grupa, predvođena Akselom Lindnerom (Axel Lindner) iz Istraživačkog centra DESY u Nemačkoj, u početnoj kampanji nije pronašla dokaze o postojanju aksiona, ali njeni rezultati pružaju dragocene smernice za buduća merenja i sužavaju potragu za jednim od najperspektivnijih kandidata za tamnu materiju, piše Phys.org.

Istraživanje je postavljeno na preprint server arXiv i biće objavljeno u žurnalu Physical Review Letters.

Preporučujemo

Kada bi se neka čestica istovremeno zamenila odgovarajućom antičesticom i prostorno preslikala u svoju sliku u ogledalu, bilo bi intuitivno pretpostaviti da bi zakoni fizike koji upravljaju njenim ponašanjem ostali potpuno isti. Međutim, kod slabe nuklearne sile, koja pokreće pojedine vrste radioaktivnog raspada, ovaj princip „simetrije naelektrisanja i parnosti“ (CP-simetrija) može biti narušen.

Narušavanje CP-simetrije danas je ugrađeno u Standardni model, koji predstavlja naše najsavremenije razumevanje najosnovnijih sila i čestica u univerzumu. Začudo, međutim, čini se da se CP-simetrija savršeno održava u jakoj nuklearnoj sili, koja vezuje kvarkove formirajući protone, neutrone i druge kratkoživeće hadrone, navodi Phys.org.

Roberto Pečei (Roberto Peccei) i Helen Kvin (Helen Quinn) 1977. predstavili su novu teoriju koja je imala za cilj da objasni zašto jaka sila ne narušava CP-simetriju. Stiven Vajnberg (Steven Weinberg) i Frenk Vilček (Frank Wilczek) potom su pokazali da njihova ideja zahteva potpuno novu česticu, koje nema u Standardnom modelu. Povezana sa narušavanjem simetrije na izuzetno visokim energijama, ova čestica bi prirodno poništila svako narušavanje CP-simetrije u jakoj sili.

Nazvana aksionom, ova hipotetička čestica bila bi izuzetno laka i interagovala bi samo veoma slabo sa običnom materijom i svetlošću, zbog čega ju je neverovatno teško otkriti. Oslanjajući se na ovu teoriju, fizičari su pretpostavili da bi aksioni takođe mogli da objasne jednu od najdubljih misterija u kosmologiji.

- Aksioni i slične veoma lake čestice koje izuzetno slabo interaguju glavni su kandidati za fiziku izvan Standardnog modela fizike čestica – rekao je Lindner. - Oni bi mogli da objasne tamnu materiju u našem univerzumu, a možda i tamnu energiju.

Kao i svaka teorija u fizici, postojanje aksiona ne može se potvrditi dok se oni direktno ne detektuju. U decenijama nakon predviđanja Pečeija i Kvinove, fizičari su tragali za ovim neuhvatljivim česticama koristeći širok spektar velikih eksperimenata. Mnogi su tražili aksione unutar tamne materije za koju se veruje da okružuje našu galaksiju, dok su neka od najstrožih ograničenja proistekla iz posmatranja zvezda, uključujući i Sunce.

Do sada nijedna od ovih studija nije pružila konkretne dokaze o postojanju aksiona. Pored toga, one su se uglavnom oslanjale na pretpostavke o uslovima u ranom univerzumu, koji se ne mogu direktno testirati.

- Nasuprot tome, pristup eksperimenta ALPS II zasniva se na generisanju i detektovanju aksiona u istom eksperimentu, tako da ne zahteva pretpostavke kakve zahtevaju eksperimenti sa tamnom materijom – objašnjava Lindner. - Zbog toga su gornje granice dobijene u ALPS II izuzetno pouzdane.

Eksperiment ALPS II podrazumeva propuštanje snažnog laserskog snopa kroz jako magnetsko polje, koje stvara niz od 12 superprovodnih dipolnih magneta. Ako aksioni postoje, to polje bi pretvorilo mali deo fotona lasera u aksione, zahvaljujući slabom međusobnom sprezanju.

Nakon toga, laser nailazi na neprozirni zid koji u potpunosti blokira njegove fotone. Nasuprot tome, novonastali aksioni prolaze pravo kroz njega. S druge strane zida nailaze na još 12 dipolnih magneta, koji ponovo pretvaraju mali deo njih u svetlost potpuno iste talasne dužine kao kod prvobitnog lasera.

Ova konverzija se odvija unutar optičkog rezonatora, koji zarobljava regenerisane fotone između dva naspramna ogledala, omogućavajući svetlosti da se akumulira. Dok ta svetlost izlazi iz rezonatora, ona interferira sa drugim laserom, stvarajući slab, ali merljiv signal interferencije sa precizno poznatom frekvencijom.

Iako je pristup „svetlosti koja prolazi kroz zid“ prvi put opisan 1987. godine, ALPS II nudi nivo osetljivosti bez presedana: sadrži ukupno 24 superprovodna magneta i znatno pojačava regenerisani signal pomoću svog optičkog rezonatora. Drugi rezonator ispred zida, čija je instalacija u toku, na sličan način će pojačati stvaranje aksiona.

Sveukupno, ova poboljšanja bi trebalo da podignu odnos signala i šuma za oko 12 redova veličine u odnosu na ranije eksperimente, pružajući osetljivost uporedivu sa astronomskim posmatranjima.

U svojoj najnovijoj studiji, saradnici na projektu ALPS II objavili su rezultate prve naučne kampanje eksperimenta, koja je trajala od februara do maja 2024. godine.

- U svojoj prvoj naučnoj kampanji, ALPS II nije pronašao dokaze o postojanju aksiona ili sličnih hipotetičkih čestica - kaže Lindner. - „Višak“ uočen u podacima najverovatnije je potekao od zalutale svetlosti koja je doprla do detektora, sa intenzitetom od dva fotona na sat.

Ipak, eksperiment je bio preko 20 puta osetljiviji na aksione od bilo kog sličnog eksperimenta pre njega. Uz unapređenja koja su u toku, tim se nada da će poboljšati osetljivost za još dva reda veličine, što bi nas moglo dovesti korak bliže otkrivanju najšire istraživanog kandidata za skrivenu masu univerzuma.

(Telegraf Nauka/Phys.org)