Les scientifiques ont pu observer l'univers et déterminer qu'environ 80 % de sa masse semble être de la « matière noire, " qui exerce une attraction gravitationnelle mais n'interagit pas avec la lumière, et ne peut donc pas être vu avec des télescopes. Notre compréhension actuelle de la cosmologie et de la physique nucléaire suggère que la matière noire pourrait être constituée d'axions, particules hypothétiques avec des propriétés de symétrie inhabituelles.

Dans un nouvel article publié dans Lettres d'examen physique et mis en évidence comme suggestion de l'éditeur, Les chercheurs de l'ICFO Pau Gomez, Ferran Martin, Chiara Mazzinghi, Daniel Benedicto Orenes, et Silvana Palacios, dirigé par ICREA Prof. à ICFO Morgan W. Mitchell, rapport sur la façon de rechercher des axions en utilisant les propriétés uniques des condensats de Bose-Einstein (BEC).

L'axion, s'il existe, impliquerait des "forces exotiques dépendantes du spin". Magnétisme, la force dépendante du spin la plus connue, amène les électrons à pointer leurs spins le long du champ magnétique, comme une aiguille de boussole qui pointe vers le nord. Le magnétisme est porté par des photons virtuels, alors que les forces "exotiques" dépendantes du spin seraient portées par des axions virtuels (ou des particules de type axion). Ces forces agiraient à la fois sur les électrons et les noyaux, et serait produit non seulement par des aimants, mais aussi par la matière ordinaire. Pour savoir si les axions existent, un bon moyen est de regarder et de voir si les noyaux préfèrent pointer vers une autre matière.

Plusieurs expériences sont déjà à la recherche de ces forces, à l'aide de « comagnétomètres, " qui sont des capteurs magnétiques appariés au même endroit. En comparant les signaux des deux capteurs, l'effet du champ magnétique ordinaire peut être annulé, laissant juste l'effet de la nouvelle force. Jusque là, les comagnétomètres n'ont pu rechercher que des forces dépendantes du spin atteignant environ un mètre ou plus. Pour rechercher des forces dépendantes du spin à courte portée, un comagnétomètre plus petit est nécessaire.

Les condensats de Bose Einstein (BEC) sont des gaz refroidis presque jusqu'au zéro absolu. Parce que les BEC sont superfluides, leurs atomes constitutifs sont libres de tourner pendant plusieurs secondes sans aucun frottement, les rendant exceptionnellement sensibles à la fois aux champs magnétiques et aux nouvelles forces exotiques. Un BEC est également très petit, environ 10 micromètres. Pour réaliser un comagnétomètre BEC, cependant, nécessite de résoudre un problème délicat :comment mettre deux magnétomètres BEC dans le même petit volume.

Dans leur étude, Gomez et ses collègues rapportent qu'ils ont pu résoudre ce problème en utilisant deux états internes différents du même 87Rb BEC, chacun agissant comme un magnétomètre séparé mais co-localisé. Les résultats de l'expérience confirment la haute immunité prévue au bruit du champ magnétique ordinaire et la capacité de rechercher des forces exotiques avec des portées beaucoup plus courtes que dans les expériences précédentes. En plus de chercher des axions, la technique peut également améliorer les mesures de précision de la physique des collisions ultrafroides et les études des corrélations quantiques dans les BEC.