Parta­culas extremamente leves e de interação fraca podem desempenhar um papel crucial na cosmologia e na busca conta­nua por matéria escura. Infelizmente, no entanto, essaspartículas tem se mostrado muito difa­ceis de detectar usando os aceleradores de alta energia existentes. Pesquisadores em todo o mundo tem tentado desenvolver tecnologias e manãtodos alternativos que possibilitem a detecção dessas partículas

Nos últimos anos, colaborações entre fa­sicos departículas e ata´micos que trabalham em diferentes institutos em todo o mundo levaram ao desenvolvimento de uma nova técnica que poderia ser usada para detectar interações entre ba³sons muito leves e naªutrons ou elanãtrons. Ba³sons leves, de fato, deveriam alterar os na­veis de energia dos elanãtrons em a¡tomos e a­ons, mudança que poderia ser detectada pela técnica proposta por essas equipes de pesquisadores .

Usando este manãtodo, dois grupos de pesquisa diferentes (um na Universidade de Aarhus na Dinamarca e outro no Instituto de Tecnologia de Massachusetts) recentemente realizaram experimentos com o objetivo de reunir inda­cios da existaªncia de ba³sons escuros,partículas elusivas que estãoentre os candidatos mais promissores de matéria escura ou mediadores para um setor escuro. Suas descobertas, publicadas na Physical Review Letters , podem ter implicações importantes para futuros experimentos de matéria escura.

Teoricamente, as interações entrepartículas que nunca foram observadas antes, como ba³sons, e outraspartículas comuns (por exemplo, elanãtrons), devem ser refletidas em uma discrepa¢ncia entre as frequências de transição previstas pelo Modelo Padra£o e aquelas medidas em a¡tomos reais. Mesmo se os fa­sicos forem capazes de coletar medições de frequência extremamente precisas, os ca¡lculos baseados em teoria para grandes a¡tomos tera£o uma margem de incerteza tão grande que não podem ser comparados de forma confia¡vel com medições diretas.

“O truque usado em trabalhos anteriores era realizar medições de frequência das mesmas transições em vários isãotopos de um elemento, e voltando a um ansatz dos anos 60 (King '63) ,” Elina Fuchs, física tea³rica do Fermilab e a Universidade de Chicago, que colaborou com a equipe da Universidade Aarhus, disse ao Phys.org. "A diferença entre a mesma transição em dois isãotopos diferentes échamada de mudança de isãotopo. Ao comparar pelo menos três dessasmudanças de isãotopo de pelo menos duas transições, não émais necessa¡rio confiar nos ca¡lculos das frequências no Modelo Padra£o. Em vez disso, nosso manãtodo usa apenas as medições, organizadas em 3 pontos de dadosque são, cada um, um par das duas frequências de transição medidas em um assim chamado gra¡fico de King. Então a questãoébastante simples: os três pontos estãoem uma linha reta, como esperado no Modelo Padra£o? "

A técnica utilizada pela equipe Aarhus, liderada por Michael Drewsen, bem como pela equipe de pesquisa do MIT liderada por Vladan Vuletic, envolve essencialmente o exame de deslocamentos de isãotopos dispostos em 4 pontos de dados. Se esses pontos formarem uma linha reta, as observações são alinhadas com o Modelo Padra£o, o que sugere que nenhuma nova física foi detectada. Se eles não estiverem em uma linha reta, entretanto, isso pode indicar a presença de novos ba³sons ou outros fena´menos fa­sicos.

Se a não linearidade observada usando este manãtodo exceder significativamente as barras de erro definidas pelo Modelo Padra£o, os pesquisadores devem ser capazes de definir novos limites nos acoplamentos e na massa do ba³son que possam ter detectado. No entanto, se for inesperadamente grande, a não linearidade pode estar associada a um ba³son que perturba os na­veis de energia de um elanãtron ou a outros fena´menos fa­sicos previstos pelo Modelo Padra£o que também são conhecidos por quebrar a linearidade dos desvios de isãotopos.

"Procurar novos ba³sons usando a não linearidade do gra¡fico de King éuma das várias pesquisas por novas físicas que usam experimentos ata´micos ou moleculares de precisão em vez de coletores de alta energia", Julian Berengut, outro tea³rico da equipe de Aarhus, que trabalha na UNSW em Sydney , Austra¡lia, e realizou o estudo recente, disse Phys.org. "A ideia por trás de todas essas pesquisas éque, com alta precisão, vocêpode sondar efeitos sutis departículas que talvez não consiga detectar facilmente nos aceleradores. Geralmente, esses experimentos são muito menores e muito mais baratos do que os experimentos com colisor, e eles fornecer uma abordagem complementar. Nosso artigo, bem como o adjacente do grupo de Vladan Vuletic no MIT, são realmente as primeiras medições dedicadas coletadas usando o manãtodo de não linearidade do gra¡fico de King. "

O grupo de pesquisa da Vuletic e a equipe de Drewsen coletaram suas medições usando uma técnica conhecida como espectroscopia de precisão. Essa técnica pode ser usada para coletar medições de frequência muito precisas em a¡tomos, por exemplo, registrar as frequências exibidas quando um a¡tomo faz a transição entre diferentes estados. Em seus experimentos, a equipe do MIT e os pesquisadores da Universidade de Aarhus examinaram diferentes a­ons: itanãrbio e a­ons de ca¡lcio, respectivamente.

"Nosso principal objetivo era testar novas forças além das atualmente conhecidas (conforme descrito pelo Modelo Padra£o) e exclua­-las em um certo na­vel", disse Vladan Vuletic, o pesquisador que liderou o grupo no MIT, ao Phys.org. "Esse teste já havia sido feito antes, mas não com a precisão que alcana§amos. Simultaneamente ao nosso trabalho, o grupo liderado por Michael Drewsen na Dinamarca mediu transições semelhantes cerca de 10 vezes mais precisamente, mas em um a¡tomo com cerca de 10 vezes menos sensibilidade a novos efeitos do que o a¡tomo que usamos, então a sensibilidade de nosso experimento e do experimento de Drewsen acabou sendo mais ou menos a mesma. "

Para conduzir efetivamente uma busca por ba³sons escuros usando o manãtodo baseado em espectroscopia de precisão, os fa­sicos precisam medir as transições a³pticas em diferentes isãotopos do mesmo elemento a 10 15 Hz com uma precisão de sub-kHz (ou seja, com uma precisão fraciona¡ria de 1 parte em 10 12 ou melhor). Para fazer isso, aspartículas que eles examinara£o devem ser presas. Vuletic e seus colegas capturaram os a­ons itanãrbio que usaram no que éconhecido como uma 'armadilha de Paul', usando campos elanãtricos oscilantes. Eles testaram esses a­ons com um laser muito esta¡vel, que estabilizaram usando um ressonador a³ptico com espelhos altamente refletivos.

"Medimos uma frequência de isãotopo por meia hora examinando a frequência do laser, depois trocamos para outro isãotopo, medimos por 30 minutos, voltamos para o primeiro isãotopo e calculamos a média das medições após cada dia de trabalho", disse Vuletic. "No dia seguinte, medira­amos outro par de isãotopos e assim por diante."

Como se baseiam em medições de alta­ssima precisão, os experimentos realizados pelos grupos Vuletic e Drewsen são muito difa­ceis de realizar. Na verdade, eles exigem um bom controle sobre os a­ons aprisionados e as diferentes fontes de laser usadas para ionização, resfriamento e espectroscopia.

A equipe da Universidade de Aarhus reuniu medições ainda mais precisas do que o grupo de Vuletic, alcana§ando uma precisão sem precedentes de 20 Hz na chamada estrutura D-fina de ~ 2 THz, dividindo-se em cinco isãotopos de Ca + , que corresponde a uma precisão relativa de 10 -11 . Em seus experimentos, eles utilizaram uma sanãrie de ferramentas e técnicas tecnologiicas desenvolvidas ao longo do século passado, incluindo armadilhas de a­ons, manãtodos de resfriamento a laser e uma ferramenta especial conhecida como laser de pente de frequência de femtossegundo.

"A invenção do chamado laser de pente de frequência de femtossegundo por volta do ano 2000 éo que tornou possí­vel sondar com muita precisão os na­veis de energia eletra´nica da divisão da estrutura D-fina, usando um manãtodo que demonstramos recentemente na Universidade de Aarhus," Cyrille Solaro, um dos pesquisadores da Universidade de Aarhus que realizou o estudo recente, disse ao Phys.org. "Embora não seja compara¡vel em termos de tamanho e investimentos aos enormes esforços coletivos do CERN, énota¡vel que tais experimentos de 'mesa' possam contribuir para explorar algumas das mesmas questões fundamentais na ciaªncia, principalmente abordandopartículas mais leves, e um progresso experimental significativo tem aconteceu na curta escala de tempo de apenas alguns anos. "

Além da precisão nota¡vel e incompara¡vel, ambas as equipes de pesquisa mediram 4mudanças de isãotopos usando 5 isãotopos diferentes, enquanto estudos anteriores coletaram medições para um ma¡ximo de 4 isãotopos. Em última análise, seus experimentos lhes permitiram melhorar o limite no acoplamento de um novo ba³son aos elanãtrons e naªutrons por um fator de 30 em comparação com o limite anterior, que também foi definido com base em um gra¡fico King de deslocamentos de isãotopos (ou seja, usando o mesmo técnica).

"Nosso limite fortemente melhorado não émais forte do que o existente derivado da combinação de duas formas complementares de testar os acoplamentos (espalhamento de naªutrons e momento magnético do elanãtron), mas destaca o progresso rápido e significativo alcana§a¡vel com o manãtodo de plot de King ", Disse Fuchs. "Além disso, apontamos o espaço realista para melhorias adicionais do limite se esta transição de divisão de estrutura fina D for medida em a­ons Ca, Ba ou Yb na precisão atual ou futura, mostrando que atéagora acoplamentos e massas não testados podem ser testado com a precisão via¡vel de 10 MHz. Essa precisão também permitira¡ um teste independente da anomalia de Be. "

Enquanto as medições coletadas pela equipe da Universidade de Aarhus eram lineares e, portanto, alinhadas com as previsaµes do Modelo Padra£o, a equipe do Vuletic observou um desvio da linearidade com significa¢ncia estata­stica de 3 sigma. Embora esse desvio possa resultar de termos adicionais dentro do Modelo Padra£o, ele também pode sugerir a existaªncia de ba³sons escuros.

"Ha¡ ampla evidência de que háfa­sica além do Modelo Padra£o (por exemplo, sabemos que existe Matanãria Escura no universo), mas não temos ideia do que constitui essa nova física", disse Vuletic. "a‰ importante pesquisar experimentalmente em diferentes direções para excluir certas possibilidades, ou se alguém tiver muita sorte, encontrar uma nova física ou uma nova parta­cula em algum lugar. Estamos procurando porpartículas em uma faixa de massa intermedia¡ria, onde na verdade temos melhor sensibilidade do que buscas diretas que utilizam aceleradores departículas, pois temos um grau extraordina¡rio de controle sobre o sistema noníveldo a¡tomo individual e qua¢ntico. "

Tanto a equipe do MIT quanto o grupo da Universidade de Aarhus planejam conduzir pesquisas adicionais para ba³sons escuros e outros candidatos a  matéria escura usando espectroscopia de alta resolução e por meio de gra¡ficos de King demudanças de isãotopos. Seu trabalho pode, em última análise, abrir caminho para a observação experimental de sinais associados a  matéria escura .

"Agora continuaremos nossa busca com precisão aprimorada e em novas transições onde as não linearidades sera£o ainda maiores", disse Vuletic. "Isso nos permitira¡ identificar a origem da não linearidade que observamos; se ela vem da estrutura nuclear ou, na verdade, de uma nova física que antes era desconhecida."

Em seus pra³ximos estudos, a equipe da Universidade de Aarhus tentara¡ medir os deslocamentos de isãotopos com uma precisão ainda maior, pois isso pode permitir que eles estabelea§am novos limites ou detectem novos desvios das previsaµes do Modelo Padra£o. Enquanto isso, os membros da equipe também continuara£o explorando uma variedade de outros tópicos, que va£o desde o aprimoramento da espectroscopia de precisão e interferometria atéa física do colisor para investigar as propriedades do ba³son de Higgs ou pesquisar novaspartículas pesadas.

"Em particular, estabelecemos contato com o Prof. Hua Guan, na Academia Chinesa de Ciências em Wuhan, China, a fim de iniciar uma colaboração com o objetivo de melhorar a sensibilidade do enredo de Ca + King por um fator de aproximadamente 1000", Michael Drewsen, que liderou a equipe em Aarhus, disse Phys.org. "Isso pode ser alcana§ado por meio de uma medição ~ 1000 vezes mais precisa da divisão da estrutura D-fine realizada na Universidade de Aarhus, explorando o emaranhamento qua¢ntico de dois a­ons de diferentes isãotopos e medições da transição SD com uma precisão relativa de 10-17 por o grupo Wuhan. "

Além do manãtodo experimental que eles usaram atéagora, Fuchs e seus colegas do Instituto de Ciência Weizmann em Israel estãoconsiderando a possibilidade de medir deslocamentos de isãotopos dos estados de Rydberg. Esta versão alternativa de seu experimento exigiria apenas dois isãotopos .

"Estou extremamente esperana§oso quanto a  possibilidade de melhorar nosso experimento tirando proveito dos estudos de precisão recanãm-disponí­veis em a­ons de ca¡lcio altamente carregados", concluiu Berengut. "Com esses dados adicionais, devemos ser capazes de remover quaisquer efeitos sistema¡ticos em potencial e ter certeza de que obteremos o ma¡ximo de nossas parcelas de King."