La mesure de petits décalages dans les fréquences de transition dans différents isotopes du même atome peut sonder l'existence d'une hypothétique particule de matière noire, , qui médie une interaction entre les neutrons et les électrons. Crédit :Counts et al.
Les particules extrêmement légères et à faible interaction peuvent jouer un rôle crucial en cosmologie et dans la recherche continue de matière noire. Malheureusement, cependant, ces particules se sont jusqu'à présent avérées très difficiles à détecter à l'aide des collisionneurs à haute énergie existants. Des chercheurs du monde entier tentent ainsi de développer des technologies et des méthodes alternatives qui pourraient permettre la détection de ces particules.
Au cours des dernières années, les collaborations entre les physiciens des particules et de l'atome travaillant dans différents instituts dans le monde ont conduit au développement d'une nouvelle technique qui pourrait être utilisée pour détecter les interactions entre les bosons très légers et les neutrons ou les électrons. bosons légers, En réalité, devrait changer les niveaux d'énergie des électrons dans les atomes et les ions, un changement qui pourrait être détectable grâce à la technique proposée par ces équipes de chercheurs.
En utilisant cette méthode, deux groupes de recherche différents (l'un à l'Université d'Aarhus au Danemark et l'autre au Massachusetts Institute of Technology) ont récemment effectué des expériences visant à recueillir des indices sur l'existence de bosons noirs, particules insaisissables qui sont parmi les candidats de matière noire les plus prometteurs ou les médiateurs d'un secteur sombre. Leurs découvertes, Publié dans Lettres d'examen physique , pourrait avoir des implications importantes pour les futures expériences sur la matière noire.
Théoriquement, interactions entre particules qui n'ont jamais été observées auparavant, comme les bosons, et d'autres particules communes (par exemple, électrons), devrait se traduire par un écart entre les fréquences de transition prédites par le modèle standard et celles mesurées dans les atomes réels. Même si les physiciens sont capables de collecter des mesures de fréquence extrêmement précises, les calculs basés sur la théorie pour les gros atomes auront une marge d'incertitude si grande qu'ils ne peuvent pas être comparés de manière fiable aux mesures directes.
"L'astuce utilisée dans les travaux précédents était d'effectuer des mesures de fréquence des mêmes transitions dans plusieurs isotopes de l'élément an, et remontant à un ansatz des années 60 (King '63), " Élina Fuchs, un physicien théoricien au Fermilab et à l'Université de Chicago qui a collaboré avec l'équipe de l'Université d'Aarhus, dit Phys.org. "La différence entre la même transition dans deux isotopes différents est appelée déplacement isotopique. En comparant au moins trois de ces déplacements isotopiques d'au moins deux transitions, on n'a plus besoin de se fier aux calculs des fréquences dans le modèle standard. Au lieu, notre méthode utilise uniquement les mesures, disposés en 3 points de données qui sont chacun une paire des deux fréquences de transition mesurées dans un tracé dit de King. Alors la question est assez simple :les trois points se trouvent-ils sur une ligne droite, comme prévu dans le modèle standard ?"
La technique utilisée par l'équipe d'Aarhus, dirigé par Michael Drewsen, ainsi que par l'équipe de recherche du MIT dirigée par Vladan Vuletic, implique essentiellement l'examen des déplacements isotopiques organisés en 4 points de données. Si ces points forment une droite, les observations sont alignées sur le modèle standard, ce qui suggère qu'aucune nouvelle physique n'a été détectée. S'ils ne sont pas en ligne droite, cependant, cela pourrait suggérer la présence de nouveaux bosons ou d'autres phénomènes physiques.
Si la non-linéarité observée à l'aide de cette méthode dépasse de manière significative les barres d'erreur fixées par le modèle standard, les chercheurs devraient alors être en mesure de fixer de nouvelles limites aux couplages et à la masse du boson qu'ils ont pu détecter. Cependant, s'il est étonnamment grand, la non-linéarité pourrait être associée à un boson qui a perturbé les niveaux d'énergie d'un électron ou à d'autres phénomènes physiques prédits par le modèle standard qui sont également connus pour briser la linéarité des déplacements isotopiques.
"La recherche de nouveaux bosons à l'aide de la non-linéarité du tracé de King est l'une des nombreuses recherches de nouvelle physique utilisant des expériences atomiques ou moléculaires de précision plutôt que des collisionneurs à haute énergie, " Julien Berengut, un autre théoricien de l'équipe Aarhus, qui travaille à l'UNSW à Sydney, Australie, et réalisé l'étude récente, dit Phys.org. "L'idée derrière toutes ces recherches est qu'avec une grande précision, vous pouvez sonder les effets subtils des particules que vous ne pourrez peut-être pas facilement détecter dans les collisionneurs. Généralement, ces expériences sont beaucoup plus petites et beaucoup moins chères que les expériences de collisionneur, et ils offrent une approche complémentaire. Notre papier, ainsi que celui adjacent du groupe de Vladan Vuletic au MIT, sont vraiment les premières mesures dédiées collectées à l'aide de la méthode de non-linéarité du tracé de King."
Le groupe de recherche de Vuletic et l'équipe de Drewsen ont collecté leurs mesures à l'aide d'une technique connue sous le nom de spectroscopie de précision. Cette technique peut être utilisée pour collecter des mesures de fréquence très précises dans les atomes, par exemple en enregistrant les fréquences affichées lorsqu'un atome passe d'un état à l'autre. Dans leurs expériences, l'équipe du MIT et les chercheurs de l'université d'Aarhus ont examiné différents ions :les ions ytterbium et calcium, respectivement.
"Notre objectif principal était de tester de nouvelles forces au-delà de celles actuellement connues (comme indiqué par le modèle standard) et de les exclure à un certain niveau, " Vladan Vuletic, le chercheur qui a dirigé le groupe au MIT, dit Phys.org. "Ce test avait été fait avant, mais pas à la précision que nous avons obtenue. Parallèlement à notre travail, le groupe dirigé par Michael Drewsen au Danemark a mesuré des transitions similaires environ 10 fois plus précisément, mais dans un atome avec environ 10 fois moins de sensibilité aux nouveaux effets que l'atome que nous utilisons, donc la sensibilité de notre expérience et celle de Drewsen ont fini par être plus ou moins les mêmes."
Pour effectuer efficacement une recherche de bosons noirs en utilisant la méthode basée sur la spectroscopie de précision, les physiciens doivent mesurer les transitions optiques dans différents isotopes du même élément à 10 15 Hz avec une précision inférieure au kHz (c'est-à-dire, avec une précision fractionnaire de 1 partie sur 10 12 ou mieux). Pour ce faire, les particules qu'ils vont examiner doivent être piégées. Vuletic et ses collègues ont piégé les ions ytterbium qu'ils ont utilisés dans ce qu'on appelle un « piège de Paul », utilisant des champs électriques oscillants. Ils ont sondé ces ions avec un laser très stable, qu'ils ont stabilisé à l'aide d'un résonateur optique à miroirs hautement réfléchissants.
"Nous avons mesuré une fréquence isotopique pendant une demi-heure en balayant la fréquence laser, puis passé à un autre isotope, mesuré pendant 30 minutes, est revenu au premier isotope, et fait la moyenne des mesures après chaque journée de travail, " dit Vuletic. " Le lendemain, on mesurerait une autre paire d'isotopes, etc."
Comme ils sont basés sur des mesures de très haute précision, les expériences menées à la fois par les groupes de Vuletic et de Drewsen sont très difficiles à réaliser. En réalité, ils nécessitent une bonne maîtrise à la fois des ions piégés et des différentes sources laser utilisées pour l'ionisation, refroidissement et spectroscopie.
L'équipe de l'université d'Aarhus a recueilli des mesures encore plus précises que le groupe de Vuletic, atteignant une précision sans précédent de 20 Hz sur la division ~2 THz dite structure D-fine en cinq Ca + isotopes, ce qui correspond à une précision relative de 10 -11 . Dans leurs expériences, ils ont utilisé un certain nombre d'outils technologiques et de techniques développés au cours du siècle dernier, y compris les pièges à ions, méthodes de refroidissement laser et un outil spécial appelé laser à peigne de fréquence femtoseconde.
« L'invention du laser peigne à fréquence femtoseconde vers l'an 2000 a permis de sonder très précisément les niveaux d'énergie électronique de la division de structure D-fine, en utilisant une méthode que nous avons récemment démontrée à l'Université d'Aarhus, " Cyrille Solaro, l'un des chercheurs de l'Université d'Aarhus qui a mené la récente étude, dit Phys.org. "Bien qu'ils ne soient pas comparables en termes de taille et d'investissements aux énormes efforts collectifs du CERN, il est remarquable que de telles expériences « sur table » puissent contribuer à explorer certaines des mêmes questions fondamentales en science, s'attaquant principalement aux particules plus légères, et des progrès expérimentaux significatifs ont eu lieu sur une courte période de quelques années seulement. »
En plus de la précision remarquable et inégalée, les deux équipes de recherche ont mesuré 4 déplacements isotopiques en utilisant 5 isotopes différents, tandis que les études précédentes ont collecté des mesures pour un maximum de 4 isotopes. Finalement, leurs expériences leur ont permis d'améliorer la borne sur le couplage d'un nouveau boson aux électrons et aux neutrons d'un facteur 30 par rapport à la borne précédente, qui a également été défini sur la base d'un tracé de King des déplacements isotopiques (c'est-à-dire, utilisant la même technique).
"Notre borne fortement améliorée n'est pas plus forte que celle existante dérivée de la combinaison de deux manières complémentaires de tester les couplages (diffusion neutronique et moment magnétique de l'électron), mais il met en évidence les progrès rapides et significatifs réalisables avec la méthode King plot, " dit Fuchs. " De plus, nous avons souligné la possibilité réaliste d'améliorer encore la borne si cette transition de division de structure D-fine est mesurée en Ca, les ions Ba ou Yb à la précision actuelle ou future, montrant que des couplages et des masses non testés jusqu'à présent peuvent être testés avec une précision réalisable de 10 mHz. Une telle précision permettra également un test indépendant de l'anomalie Be."
Alors que les mesures recueillies par l'équipe de l'Université d'Aarhus étaient linéaires et donc alignées sur les prédictions du modèle standard, L'équipe de Vuletic a observé un écart par rapport à la linéarité avec une signification statistique de 3 sigma. Bien que cet écart puisse provenir de termes supplémentaires dans le modèle standard, cela peut aussi faire allusion à l'existence de bosons noirs.
"Il existe de nombreuses preuves qu'il existe une physique au-delà du modèle standard (par exemple, nous savons qu'il y a de la matière noire dans l'univers), mais nous n'avons aucune idée de ce qui constitue cette nouvelle physique, " dit Vuletic. " Il est important de chercher expérimentalement dans différentes directions pour exclure certaines possibilités, ou si l'on est extrêmement chanceux, pour trouver une nouvelle physique ou une nouvelle particule quelque part. Nous recherchons des particules dans une gamme de masse intermédiaire, où nous avons en fait une meilleure sensibilité que les recherches directes qui utilisent des accélérateurs de particules, car nous avons un degré extraordinaire de contrôle sur le système au niveau de l'atome individuel et quantique."
L'équipe du MIT et le groupe de l'Université d'Aarhus prévoient de mener d'autres recherches sur les bosons noirs et d'autres candidats à la matière noire en utilisant la spectroscopie haute résolution et à travers les tracés de King des déplacements isotopiques. Leurs travaux pourraient à terme ouvrir la voie à l'observation expérimentale des signaux associés à la matière noire.
"Nous allons maintenant poursuivre notre recherche avec une précision améliorée et sur de nouvelles transitions où les non-linéarités devraient être encore plus importantes, " a déclaré Vuletic. " Cela nous permettra finalement d'identifier la source de la non-linéarité que nous avons observée; qu'il vienne de la structure nucléaire, ou bien d'une nouvelle physique qui était auparavant inconnue."
Dans leurs prochaines études, l'équipe de l'université d'Aarhus tentera de mesurer les déplacements isotopiques avec encore plus de précision, car cela pourrait leur permettre de fixer de nouvelles limites ou de détecter de nouveaux écarts par rapport aux prédictions du modèle standard. Pendant ce temps, les membres de l'équipe continueront également à explorer une variété d'autres sujets, allant de l'amélioration de la précision de la spectroscopie et de l'interférométrie à la physique des collisionneurs pour étudier les propriétés du boson de Higgs ou rechercher de nouvelles particules lourdes.
"En particulier, nous avons établi un contact avec le professeur Hua Guan, à l'Académie chinoise des sciences de Wuhan, Chine, afin d'initier une collaboration visant à améliorer la sensibilité du tracé Ca+ King d'un facteur ~1000, " Michael Drewsen, qui a dirigé l'équipe à Aarhus, dit Phys.org. "Cela peut être réalisé grâce à une mesure ~ 1000 fois plus précise de la division de la structure D-fine réalisée à l'Université d'Aarhus en exploitant l'intrication quantique de deux ions d'isotopes différents, et mesures de la transition S-D avec une précision relative de 10 -17 par le groupe de Wuhan."
En plus de la méthode expérimentale qu'ils ont utilisée jusqu'à présent, Fuchs et ses collègues du Weizmann Institute of Science en Israël envisagent la possibilité de mesurer les déplacements isotopiques des États de Rydberg. Cette version alternative de leur expérience ne nécessiterait que deux isotopes.
« Je suis extrêmement optimiste quant à la possibilité d'améliorer notre expérience en tirant parti des nouvelles études de précision disponibles sur les ions calcium hautement chargés, " a conclu Berengut. " Avec ces données supplémentaires, nous devrions être en mesure de supprimer tout effet systématique potentiel et de nous assurer que nous tirons le meilleur parti de nos intrigues King. »
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