특수 설정에서는 이국적인 필드에 대한 송신기 및 수신기 시스템으로 편광 루비듐 및 크세논을 사용합니다.

2023년 2월 1일

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마인츠 대학교

표준 모델을 넘어서는 새로운 힘과 상호 작용을 찾는 데 있어 요하네스 구텐베르크 대학교 마인츠(JGU)와 헬름홀츠 연구소 마인츠의 PRISMA 우수 클러스터가 포함된 국제 연구팀이 이제 좋은 진전을 이루었습니다. Dmitry Budker 교수를 포함한 연구진은 핵자기공명을 기반으로 한 증폭 기술을 사용하고 있습니다.

최근 사이언스 어드밴스(Science Advances)에 발표된 연구에서 그들은 실험 설정을 사용하여 스핀 사이의 특별한 이국적인 상호 작용을 연구했습니다. 이는 Z 보존 외에 존재하는 Z' 보존이라고 불리는 새로운 가상 교환 입자에 의해 매개되는 패리티 위반 상호 작용입니다. 표준 모델의 약한 상호 작용을 중재합니다.

현재 설정에서는 이 입자를 감지할 수 없었지만 이전 측정에 비해 감도를 5배 정도 높일 수 있었습니다. 이를 통해 연구자들은 천체 물리학 관측을 보완하고 이전에 접근할 수 없었던 영역을 열어주는 표준 모델 입자와 새로운 교환 입자의 상호 작용 강도에 대한 제약을 설정할 수 있습니다.

수많은 이론이 표준 모델을 넘어서는 이국적인 상호 작용의 존재를 예측합니다. 이는 알려진 네 가지 상호작용과 다르며 이전에 알려지지 않은 교환 입자에 의해 매개됩니다. 특히, 거울 대칭이 깨지는 패리티 위반 상호 작용이 현재 특별한 관심을 받고 있습니다.

한편으로는 이것이 우리가 다루고 있는 특정 유형의 새로운 물리학을 즉각적으로 나타내기 때문이고, 다른 한편으로는 그 효과가 일반적으로 거울 대칭 깨짐을 나타내지 않는 허위 체계적 효과와 분리하기가 더 쉽기 때문입니다. "현재 기사에서 우리는 가상의 Z' 보존에 의해 매개되는 전자 스핀과 중성자 스핀 사이의 상호 작용을 자세히 살펴봅니다. 거울 세계에서 이러한 상호 작용은 다른 결과로 이어질 것입니다. 패리티는 다음과 같습니다. 여기서 위반했습니다."라고 Dmitry Budker는 설명합니다.

이 "결과"는 다음과 같습니다. 소스 내의 전자 스핀은 모두 한 방향, 즉 분극으로 정렬되고 분극은 지속적으로 변조되어 자기장으로 인식되고 센서를 사용하여 측정할 수 있는 이국적인 장을 생성합니다. . 거울에 비친 세계에서 이국적인 장은 "실제" 거울 이미지에서 예상되는 것과 같은 방향을 가리키지 않고 반대 방향을 가리키게 됩니다. 즉, 이 상호 작용의 동등성이 위반됩니다.

"입자 물리학 연구를 위한 스핀 증폭기"(줄여서 SAPPHIRE)는 연구자들이 루비듐과 크세논이라는 두 가지 원소를 기반으로 하는 장치의 이름을 붙인 것입니다. 그들은 이미 다른 이국적인 상호 작용과 암흑 물질 분야를 검색하기 위해 비슷한 형태로 이 기술을 사용했습니다.

구체적으로, 이국적인 스핀-스핀 상호 작용에 대한 실험적 탐색에서 두 원소 중 하나의 증기로 채워진 두 개의 챔버가 서로 근접하게 위치합니다. "우리 실험에서 우리는 루비듐-87 원자의 극성 전자 스핀을 다음과 같이 사용합니다. 스핀 소스와 분극 중성자는 비활성 기체 크세논, 더 정확하게는 동위원소 크세논-129를 스핀 센서로 스핀합니다."라고 Dmitry Budker는 말했습니다.

비결은 스핀 센서의 특수 구조와 극성 크세논 원자가 초기에 루비듐 소스에서 생성된 필드를 증폭한다는 것입니다. 따라서 잠재적인 외부 필드에 의해 유발되는 효과는 200배 더 커집니다. 이제 핵자기공명의 원리, 즉 핵스핀이 특정 공명 주파수에서 진동하는 자기장에 반응한다는 사실이 작용하게 됩니다. 이러한 목적을 위해 루비듐-87 원자도 센서 셀에 작은 비율로 존재합니다. 이는 공명 신호의 강도를 결정하는 매우 민감한 자력계 역할을 합니다.