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Os pesquisadores observam o que poderiam ser os primeiros indícios de bósons escuros
Bósons leves, de fato, deveriam alterar os níveis de energia dos elétrons em átomos e íons, mudança que poderia ser detectada pela técnica proposta por essas equipes de pesquisadores .
Por Ingrid Fadelli - 04/12/2020


Medir pequenas mudanças nas frequências de transição em diferentes isótopos do mesmo átomo pode sondar a existência de uma hipotética partícula de matéria escura, ϕ, que medeia uma interação entre nêutrons e elétrons. Crédito: Counts et al.

Partículas extremamente leves e de interação fraca podem desempenhar um papel crucial na cosmologia e na busca contínua por matéria escura. Infelizmente, no entanto, essas partículas têm se mostrado muito difíceis de detectar usando os aceleradores de alta energia existentes. Pesquisadores em todo o mundo têm tentado desenvolver tecnologias e métodos alternativos que possibilitem a detecção dessas partículas.

Nos últimos anos, colaborações entre físicos de partículas e atômicos que trabalham em diferentes institutos em todo o mundo levaram ao desenvolvimento de uma nova técnica que poderia ser usada para detectar interações entre bósons muito leves e nêutrons ou elétrons. Bósons leves, de fato, deveriam alterar os níveis de energia dos elétrons em átomos e íons, mudança que poderia ser detectada pela técnica proposta por essas equipes de pesquisadores .

Usando este método, 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 indícios da existência de bósons escuros, partículas elusivas que estão entre 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 entre partículas que nunca foram observadas antes, como bósons, e outras partículas comuns (por exemplo, elétrons), devem ser refletidas em uma discrepância entre as frequências de transição previstas pelo Modelo Padrão e aquelas medidas em átomos reais. Mesmo se os físicos forem capazes de coletar medições de frequência extremamente precisas, os cálculos baseados em teoria para grandes átomos terão uma margem de incerteza tão grande que não podem ser comparados de forma confiável com medições diretas.

“O truque usado em trabalhos anteriores era realizar medições de frequência das mesmas transições em vários isótopos de um elemento, e voltando a um ansatz dos anos 60 (King '63) ,” Elina Fuchs, física teórica 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 isótopos diferentes é chamada de mudança de isótopo. Ao comparar pelo menos três dessas mudanças de isótopo de pelo menos duas transições, não é mais necessário confiar nos cálculos das frequências no Modelo Padrão. Em vez disso, nosso método 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 gráfico de King. Então a questão é bastante simples: os três pontos estão em uma linha reta, como esperado no Modelo Padrão? "
 
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 isótopos dispostos em 4 pontos de dados. Se esses pontos formarem uma linha reta, as observações são alinhadas com o Modelo Padrão, 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 bósons ou outros fenômenos físicos.

Se a não linearidade observada usando este método exceder significativamente as barras de erro definidas pelo Modelo Padrão, os pesquisadores devem ser capazes de definir novos limites nos acoplamentos e na massa do bóson que possam ter detectado. No entanto, se for inesperadamente grande, a não linearidade pode estar associada a um bóson que perturba os níveis de energia de um elétron ou a outros fenômenos físicos previstos pelo Modelo Padrão que também são conhecidos por quebrar a linearidade dos desvios de isótopos.

"Procurar novos bósons usando a não linearidade do gráfico de King é uma das várias pesquisas por novas físicas que usam experimentos atômicos ou moleculares de precisão em vez de coletores de alta energia", Julian Berengut, outro teórico da equipe de Aarhus, que trabalha na UNSW em Sydney , Austrália, e realizou o estudo recente, disse Phys.org. "A ideia por trás de todas essas pesquisas é que, com alta precisão, você pode sondar efeitos sutis de partículas 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 método de não linearidade do gráfico 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 átomos, por exemplo, registrar as frequências exibidas quando um átomo faz a transição entre diferentes estados. Em seus experimentos, a equipe do MIT e os pesquisadores da Universidade de Aarhus examinaram diferentes íons: itérbio e íons de cálcio, respectivamente.

"Nosso principal objetivo era testar novas forças além das atualmente conhecidas (conforme descrito pelo Modelo Padrão) e excluí-las em um certo nível", 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 alcançamos. Simultaneamente ao nosso trabalho, o grupo liderado por Michael Drewsen na Dinamarca mediu transições semelhantes cerca de 10 vezes mais precisamente, mas em um átomo com cerca de 10 vezes menos sensibilidade a novos efeitos do que o átomo 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 bósons escuros usando o método baseado em espectroscopia de precisão, os físicos precisam medir as transições ópticas em diferentes isótopos do mesmo elemento a 10 15 Hz com uma precisão de sub-kHz (ou seja, com uma precisão fracionária de 1 parte em 10 12 ou melhor). Para fazer isso, as partículas que eles examinarão devem ser presas. Vuletic e seus colegas capturaram os íons itérbio que usaram no que é conhecido como uma 'armadilha de Paul', usando campos elétricos oscilantes. Eles testaram esses íons com um laser muito estável, que estabilizaram usando um ressonador óptico com espelhos altamente refletivos.

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

Como se baseiam em medições de altíssima precisão, os experimentos realizados pelos grupos Vuletic e Drewsen são muito difíceis de realizar. Na verdade, eles exigem um bom controle sobre os íons 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, alcançando uma precisão sem precedentes de 20 Hz na chamada estrutura D-fina de ~ 2 THz, dividindo-se em cinco isótopos de Ca + , que corresponde a uma precisão relativa de 10 -11 . Em seus experimentos, eles utilizaram uma série de ferramentas e técnicas tecnológicas desenvolvidas ao longo do século passado, incluindo armadilhas de íons, métodos 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 é o que tornou possível sondar com muita precisão os níveis de energia eletrônica da divisão da estrutura D-fina, usando um método 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 comparável em termos de tamanho e investimentos aos enormes esforços coletivos do CERN, é notável que tais experimentos de 'mesa' possam contribuir para explorar algumas das mesmas questões fundamentais na ciência, principalmente abordando partículas mais leves, e um progresso experimental significativo tem aconteceu na curta escala de tempo de apenas alguns anos. "

Além da precisão notável e incomparável, ambas as equipes de pesquisa mediram 4 mudanças de isótopos usando 5 isótopos diferentes, enquanto estudos anteriores coletaram medições para um máximo de 4 isótopos. Em última análise, seus experimentos lhes permitiram melhorar o limite no acoplamento de um novo bóson aos elétrons e nêutrons por um fator de 30 em comparação com o limite anterior, que também foi definido com base em um gráfico King de deslocamentos de isótopos (ou seja, usando o mesmo técnica).

"Agora continuaremos nossa busca com precisão aprimorada e em novas transições onde as não linearidades serão ainda maiores", disse Vuletic. "Isso nos permitirá 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."


"Nosso limite fortemente melhorado não é mais forte do que o existente derivado da combinação de duas formas complementares de testar os acoplamentos (espalhamento de nêutrons e momento magnético do elétron), mas destaca o progresso rápido e significativo alcançável com o método 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 íons Ca, Ba ou Yb na precisão atual ou futura, mostrando que até agora acoplamentos e massas não testados podem ser testado com a precisão viável de 10 MHz. Essa precisão também permitirá um teste independente da anomalia de Be. "

Enquanto as medições coletadas pela equipe da Universidade de Aarhus eram lineares e, portanto, alinhadas com as previsões do Modelo Padrão, a equipe do Vuletic observou um desvio da linearidade com significância estatística de 3 sigma. Embora esse desvio possa resultar de termos adicionais dentro do Modelo Padrão, ele também pode sugerir a existência de bósons escuros.

"Há ampla evidência de que há física além do Modelo Padrão (por exemplo, sabemos que existe Matéria Escura no universo), mas não temos ideia do que constitui essa nova física", disse Vuletic. "É importante pesquisar experimentalmente em diferentes direções para excluir certas possibilidades, ou se alguém tiver muita sorte, encontrar uma nova física ou uma nova partícula em algum lugar. Estamos procurando por partículas em uma faixa de massa intermediária, onde na verdade temos melhor sensibilidade do que buscas diretas que utilizam aceleradores de partículas, pois temos um grau extraordinário de controle sobre o sistema no nível do átomo individual e quântico. "

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

"Agora continuaremos nossa busca com precisão aprimorada e em novas transições onde as não linearidades serão ainda maiores", disse Vuletic. "Isso nos permitirá 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 próximos estudos, a equipe da Universidade de Aarhus tentará medir os deslocamentos de isótopos com uma precisão ainda maior, pois isso pode permitir que eles estabeleçam novos limites ou detectem novos desvios das previsões do Modelo Padrão. Enquanto isso, os membros da equipe também continuarão explorando uma variedade de outros tópicos, que vão desde o aprimoramento da espectroscopia de precisão e interferometria até a física do colisor para investigar as propriedades do bóson de Higgs ou pesquisar novas partículas 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 alcançado por meio de uma medição ~ 1000 vezes mais precisa da divisão da estrutura D-fine realizada na Universidade de Aarhus, explorando o emaranhamento quântico de dois íons de diferentes isótopos e medições da transição SD com uma precisão relativa de 10-17 por o grupo Wuhan. "

Além do método experimental que eles usaram até agora, Fuchs e seus colegas do Instituto de Ciência Weizmann em Israel estão considerando a possibilidade de medir deslocamentos de isótopos dos estados de Rydberg. Esta versão alternativa de seu experimento exigiria apenas dois isótopos .

"Estou extremamente esperançoso quanto à possibilidade de melhorar nosso experimento tirando proveito dos estudos de precisão recém-disponíveis em íons de cálcio altamente carregados", concluiu Berengut. "Com esses dados adicionais, devemos ser capazes de remover quaisquer efeitos sistemáticos em potencial e ter certeza de que obteremos o máximo de nossas parcelas de King."

 

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