Поиск нарушающих чётность дальнодействующих спин-зависимых взаимодействий с помощью квантового комагнетометра ✦
Контекст
Нарушение пространственной чётности, впервые обнаруженное в слабых взаимодействиях, стало краеугольным камнем Стандартной модели физики частиц. Однако существование тёмной материи и проблемы иерархии указывают на необходимость расширения этой модели. Одним из кандидатов на роль переносчиков новых сил являются лёгкие бозоны, такие как аксионы или Z'-бозоны, которые могут вызывать дальнодействующие спин-зависимые взаимодействия, нарушающие чётность. Поиск таких экзотических взаимодействий не только проверяет фундаментальные симметрии, предсказанные ещё Дираком, но и может пролить свет на природу тёмной материи, поскольку эти гипотетические частицы рассматриваются как её перспективные кандидаты.
Методы
Экспериментальная установка включает вращающиеся свинцовые блоки (источник массы) и сверхчувствительный SERF-комагнетометр (безмагнитный магнитометр со спиновым обменом), работающий в режиме гибридного спинового резонанса (HSR). В отличие от традиционных методов квантовых измерений, HSR обеспечивает широкую полосу пропускания (до 25 Гц) и высокую стабильность, что критически важно для длительных прецизионных измерений. Вращение масс с частотой 3 Гц модулирует экзотическое поле на частоте 6 Гц, которое через псевдомагнитное поле воздействует на ядерные спины 21Ne, описываемые матрицами Паули. Сигнал регистрируется оптическим методом — по вращению плоскости поляризации спектроскопического пробного луча. Основной шум от вибраций был подавлен более чем в 700 раз благодаря многоступенчатой системе изоляции, включающей раздельную вакуумную камеру и виброизолированный фундамент. Это напоминает технологии, используемые в гравитационно-волновых обсерваториях. Калибровка отклика проводилась с помощью классических магнитных полей, что позволило связать измеряемый сигнал с константами связи экзотических взаимодействий. Моделирование отклика системы с учётом фазовых задержек позволило учесть систематические эффекты.
Результаты
За 108 часов набора данных был измерен псевдомагнитный отклик на уровне (1.8±4.2стат±2.0сист) аТл (аттотесла). Для взаимодействия нейтронов с нуклонами на длине силового взаимодействия λ = 5 м получена константа связи gA^n gV^N = (5.3±12.4стат±5.9сист)×10^{-39}, что соответствует верхнему пределу |gA^n gV^N| ≤ 2.9×10^{-38} с 95% достоверностью. Это на три порядка (в 1000 раз) лучше предыдущих лабораторных ограничений. Для электрон-нуклонного взаимодействия gA^e gV^N = (2.8±6.7стат±6.2сист)×10^{-36} с пределом ≤1.9×10^{-35}. Широкая полоса HSR позволила учесть до трёх гармоник сигнала, что повысило отношение сигнал-шум. Достигнутая чувствительность сравнима с требованием регистрации гравитационных волн, но для поиска экзотических сил, предсказанных аксионными моделями.
Значение
Полученные ограничения закрывают значительную область параметров для моделей с лёгкими Z'-бозонами и аксионами, которые ранее могли объяснять тёмную материю. Результат демонстрирует, что настольные квантовые эксперименты способны конкурировать с астрофизическими наблюдениями в тестировании фундаментальных симметрий. Успех HSR-режима открывает путь к созданию более стабильных квантовых датчиков, что может привести к обнаружению не только новых сил, но и гравитационных волн с помощью атомной интерферометрии. Эта работа продолжает традицию, заложенную ещё Фейнманом, по поиску нарушений инвариантностей в квантовых системах.
Развитие
В будущем планируется улучшить когерентность спинов с помощью новых материалов и многослойной магнитной экранировки, что снизит систематические погрешности. Применение методов машинного обучения для активного шумоподавления и неклассических сжатых состояний, как в квантовой метрологии, позволит преодолеть стандартный квантовый предел. Это откроет возможность исследования взаимодействий на ещё меньших расстояниях и с большей точностью, приближаясь к масштабам, где могут проявляться эффекты квантовой гравитации.
Влияние
Разработанные методы виброизоляции и расширения полосы пропускания найдут применение не только в фундаментальной физике, но и в гравитационно-волновых детекторах, прецизионной магнитометрии и квантовых вычислениях.
Следующие шаги
Следующим шагом станет адаптация установки для поиска спин-зависимых сил, не нарушающих чётность, и исследование аксион-опосредованных диполь-дипольных взаимодействий, что потребует ещё более тонкого контроля систематики.
Ключевые проблемы
Эксперимент напрямую связан с проблемой природы тёмной материи и иерархии масс в Стандартной модели, так как искомые аксионы и Z'-бозоны могут быть ключом к их решению.
🎯 Свинцовые блоки в эксперименте имеют плотность 11.3 г/см³ — это почти в полтора раза плотнее стали, что делает их идеальными для создания сильного потока виртуальных частиц. А снижение вибраций в 700 раз эквивалентно тому, как если бы вы пытались услышать шёпот во время рок-концерта, спрятавшись в звукоизолированной комнате.
Ключевые числа
- Подавление вибраций: более 700 раз
- Улучшение ограничений (λ=5 м): в 1000 раз
- Предел |g_A^n g_V^N| (95% CL): ≤ 2.9×10^{-38}
- Чувствительность по полю: единицы аттотесла