特殊なセットアップでは、エキゾチックなフィールド用の送信機および受信機システムとして偏極ルビジウムとキセノンを使用します。

2023 年 2 月 1 日

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マインツ大学による

標準モデルを超えた新しい力と相互作用の探求において、ヨハネス・グーテンベルク大学マインツ（JGU）とヘルムホルツ研究所マインツのPRISMA Cluster of Excellenceが参加する国際研究者チームが、大きな一歩を踏み出しました。 ドミトリー・ブドカー教授を含む研究者らは、核磁気共鳴に基づく増幅技術を使用している。

最近 Science Advances に掲載された研究では、実験装置を使用して、スピン間の特定のエキゾチックな相互作用、つまり Z ボソンに加えて存在する、Z' ボソンと呼ばれる新しい仮想交換粒子によって媒介されるパリティ違反相互作用を研究しています。標準モデルの弱い相互作用を仲介します。

現在の設定ではこの粒子を検出できませんでしたが、以前の測定と比較して感度を 5 桁高めることができました。 これにより、研究者は、新しい交換粒子と標準モデル粒子との相互作用の強さに制約を設定することができ、天体物理学的観測を補完し、以前はアクセスできなかった領域を開くことができます。

多くの理論が、標準モデルを超えるエキゾチックな相互作用の存在を予測しています。 それらは 4 つの既知の相互作用とは異なり、これまで知られていなかった交換粒子によって媒介されます。 特に、パリティ違反相互作用、つまり鏡面対称が崩れる相互作用は、現在特別な関心を集めています。

一方で、これは私たちが扱っている特定のタイプの新しい物理学を即座に示すため、他方では、その効果は、通常は鏡像対称性の破れを示さない偽の系統的効果から分離するのが容易であるためです。 「今回の記事では、仮想の Z' ボソンを介した、電子のスピンと中性子のスピン間の相互作用を詳しく調べます。鏡像世界では、この相互作用は異なる結果をもたらすでしょう。パリティはここでは違反しています」とドミトリー・ブドカー氏は説明する。

この「結果」は次のようになります。 ソース内の電子スピンはすべて一方向に揃っており、つまり分極されており、分極は継続的に変調されるため、磁場として認識されるエキゾチックな場が生成され、センサーを使用して測定できます。 。 鏡映された世界では、エキゾチックなフィールドは「現実の」鏡像で予期されるのと同じ方向を指すのではなく、逆の方向を指します。つまり、この相互作用のパリティは違反されます。

「粒子物理研究用スピン増幅器」（略してサファイア）は、研究者らがそのセットアップと名付けたもので、ルビジウムとキセノンの 2 つの元素に基づいています。 彼らはすでにこの技術を同様の形で使用して、他のエキゾチックな相互作用や暗黒物質場の探索を行っています。

具体的には、エキゾチックなスピン-スピン相互作用の実験的探索では、2 つの元素のうち 1 つの蒸気で満たされた 2 つのチャンバーが互いに近接して配置されます。「私たちの実験では、ルビジウム 87 原子の偏極した電子スピンを次のように使用します。スピン源と希ガスキセノン、より正確には同位体キセノン-129 の偏極中性子スピンをスピンセンサーとして使用します」とドミトリー・ブドカー氏は言う。

その秘訣は、スピンセンサーの特殊な構造と偏極したキセノン原子が、ルビジウムソースで生成される場を最初に増幅することです。したがって、潜在的なエキゾチックな場によって引き起こされる効果は200倍大きくなります。 ここで、核磁気共鳴の原理、つまり核スピンが特定の共鳴周波数で振動する磁場に反応するという事実が登場します。 ルビジウム 87 原子も、この目的のためにセンサー セル内に少量存在します。 これらは、共鳴信号の強度を決定する非常に高感度の磁力計として機能します。

このようなエキゾチックなフィールドを適切な周波数範囲で検出できれば、私たちが探している新しい相互作用への手掛かりとなるでしょう。 その他の特別な実験の詳細により、セットアップは対象の周波数範囲で特に敏感であり、実験で必然的に発生する他の磁場からのスプリアス効果の影響も少なくなります。

「全体として、これはかなり複雑なセットアップであり、慎重な設計と調整が必要です。合肥科学技術大学 (USTC) の長年の協力者とともに、このような挑戦的で興味深い問題に取り組むことができて、非常にやりがいがあります。」 、実験を主催したのは中国だ」とドミトリー・ブドカー氏は報告している。

原理証明が成功した後、科学者たちはエキゾチックな相互作用を探索するための最初の一連の測定を開始しました。 24時間の測定後、対応する信号はまだ発見できていないが、感度が5桁向上したことにより、新しい交換粒子と標準モデル粒子との相互作用の強さに制限を設けることが可能となった。

さらに最適化すると、特別なエキゾチックな相互作用に対する実験の感度がさらに 8 桁向上する可能性もあります。 これにより、超高感度 SAPPHIRE セットアップを使用して、潜在的な Z' ボソンを含む新しい物理学を発見して研究することが可能になるようです。

詳しくは： Yuanhong Wang 他、量子スピン増幅器によるエキゾチックなパリティ違反相互作用の探索、Science Advances (2023)。 DOI: 10.1126/sciadv.ade0353

雑誌情報:科学の進歩

マインツ大学提供