La rete di sensori quantistici a lunga distanza fa avanzare la ricerca della materia oscura / Long-distance quantum sensor network advances the search for dark matter

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Una rete quantistica per la materia oscura: una rete distribuita interurbana di sensori quantistici sta imponendo ulteriori vincoli ai parametri che la materia oscura assionica potrebbe avere. / A quantum net for dark matter: A distributed intercity network of quantum sensors is placing additional constraints on the parameters that axionic dark matter could have. 

Un nuovo metodo di ricerca di particelle candidate alla materia oscura, chiamate assioni, ha prodotto il vincolo più restrittivo mai stabilito su come queste possano interagire con la materia normale. Utilizzando una rete a due città di sensori quantistici basati sugli spin nucleari, i fisici cinesi hanno ridotto i possibili valori di un parametro noto come accoppiamento assione-nucleone al di sotto di un limite precedentemente fissato dalle osservazioni astrofisiche. Oltre a fornire informazioni sulla natura della materia oscura, la tecnica potrebbe contribuire allo studio di altri fenomeni fisici oltre il Modello Standard, come le stelle di assioni, le stringhe di assioni e le Q-ball.

Si ritiene che la materia oscura costituisca oltre il 25% della massa dell'universo, ma non è mai stata rilevata direttamente. Invece, ne deduciamo l'esistenza dalle sue interazioni gravitazionali con la materia visibile e dal suo effetto sulla struttura su larga scala dell'universo.

Sebbene il Modello Standard della fisica delle particelle non incorpori la materia oscura, diversi fisici hanno proposto idee su come integrarla. Una delle più promettenti riguarda le particelle chiamate assioni. Ipotizzati per la prima volta negli anni '70 per spiegare questioni irrisolte sulla violazione della parità di carica, gli assioni sono privi di carica e molto meno massicci degli elettroni. Ciò significa che interagiscono solo debolmente con la materia e la radiazione elettromagnetica.

Secondo calcoli teorici, il Big Bang avrebbe dovuto produrre assioni in abbondanza. Durante le transizioni di fase nell'universo primordiale, questi assioni avrebbero formato difetti topologici, difetti che, secondo Xinhua Peng dell'Università di Scienza e Tecnologia della Cina (USTC), a capo dello studio, dovrebbero, in linea di principio, essere rilevabili. "Si prevede che questi difetti interagiscano con gli spin nucleari ed inducano segnali quando la Terra li attraversa", spiega Peng.

Un nuovo metodo di ricerca degli assoni

Il problema, continua Peng, è che ci si aspetta che tali segnali siano estremamente deboli e transitori. Lei ed i suoi colleghi hanno quindi sviluppato un metodo alternativo di ricerca degli assioni che sfrutta un comportamento previsto diverso.

Quando i fermioni (particelle con spin semi-intero) interagiscono, o si accoppiano, con gli assioni, dovrebbero produrre un campo pseudo-magnetico. Peng e colleghi hanno cercato prove di questa interazione utilizzando una rete di cinque sensori quantistici, quattro a Hefei ed uno a Hangzhou. Questi sensori combinavano un ampio insieme di

 atomi polarizzati di rubidio-87 ( 87Rb ) con spin

nucleari polarizzati di xeon-129 ( 129Xe ).

"L'utilizzo degli spin nucleari presenta numerosi vantaggi", spiega Peng. "Tra questi, una maggiore risoluzione energetica per la rilevazione degli assioni di materia oscura topologica (TDM) grazie ad un rapporto giromagnetico degli spin nucleari molto più piccolo; una sostanziale amplificazione di spin dovuta all'elevata densità di insieme degli spin dei gas nobili; ed un filtraggio ottimale ed efficiente, reso possibile dal lungo tempo di coerenza degli spin nucleari".

La configurazione dei ricercatori dell'USTC presenta anche altri vantaggi rispetto alle precedenti ricerche TDM in laboratorio, tra cui il Global Network of Optical Magnetometers for Exotic physics searches (GNOME). Mentre GNOME opera in modalità di rilevamento a stato stazionario, i ricercatori dell'USTC utilizzano uno schema di rilevamento che sonda i segnali transitori "oscillanti a decadimento libero" generati sugli spin dopo un attraversamento TDM. Il gruppo dell'USTC ha anche implementato un algoritmo di filtraggio ottimale a doppia fase per estrarre segnali TDM con un rapporto segnale/rumore al massimo teorico.

Peng spiega a Physics World che questi vantaggi hanno permesso al gruppo di esplorare regioni dello spazio dei parametri TDM ben oltre i limiti imposti dalle ricerche astrofisiche. Lo schema di rilevamento dello stato transitorio consente anche ricerche sensibili di TDM nella regione in cui la massa dell'assione supera i 100 peV, una regione a cui GNOME non può accedere.

I vincoli più rigorosi

I ricercatori non hanno ancora registrato un evento di incrocio topologico statisticamente significativo utilizzando il loro apparato, quindi la ricerca sulla materia oscura non è ancora terminata. Tuttavia, hanno imposto vincoli più stringenti sull'accoppiamento assione-nucleone su un intervallo di masse degli assioni da 10 peV a 0,2 μeV. In particolare, hanno calcolato che la forza di accoppiamento deve essere maggiore di 4,1 x 10 10 GeV a una massa dell'assione di 84 peV. Questo limite è più restrittivo di quelli ottenuti dalle osservazioni astrofisiche, sebbene Peng osservi che questi si basano su ipotesi diverse.

Peng afferma che la tecnica sviluppata in questo studio, pubblicato su Nature, potrebbe portare allo sviluppo di reti ancora più grandi e sensibili per la rilevazione di segnali di spin transitori come quelli del TDM. Apre inoltre nuove strade per l'indagine di altri fenomeni fisici oltre il Modello Standard, che sono stati proposti teoricamente, ma che finora non hanno trovato una via per l'esplorazione sperimentale.

I ricercatori ora intendono aumentare il numero di stazioni di sensori nella loro rete ed estendere le loro linee di base geografiche a scale intercontinentali e persino spaziali. Peng spiega che ciò migliorerà la sensibilità di rilevamento della rete ed aumenterà l'affidabilità del segnale. "Vogliamo anche migliorare la sensibilità dei singoli sensori attraverso una migliore polarizzazione di spin, tempi di coerenza più lunghi e tecniche avanzate di controllo quantistico", afferma. Il passaggio ad un sistema ³He–K, aggiunge, potrebbe aumentare la loro attuale sensibilità spin-rotazione fino a quattro ordini di grandezza.

ENGLISH

A new of way of searching for dark-matter candidate particles called axions has produced the tightest constraint yet on how they can interact with normal matter. Using a two-city network of quantum sensors based on nuclear spins, physicists in China narrowed the possible values of a parameter known as axion-nucleon coupling below a limit previously set by astrophysical observations. As well as insights on the nature of dark matter, the technique could aid investigations of other beyond-the-Standard-Model physics phenomena such as axion stars, axion strings and Q-balls.

Dark matter is thought to make up over 25% of the universe’s mass, but it has never been detected directly. Instead, we infer its existence from its gravitational interactions with visible matter and its effect on the large-scale structure of the universe.

While the Standard Model of particle physics does not incorporate dark matter, several physicists have proposed ideas for how to bring it into the fold. One of the most promising involves particles called axions. First hypothesized in the 1970s as a way of explaining unresolved questions about charge-parity violation, axions are chargeless and much less massive than electrons. This means they interact only weakly with matter and electromagnetic radiation.

According to theoretical calculations, the Big Bang should have produced axions in abundance. During phase transitions in the early universe, these axions would have formed topological defects – defects that study leader Xinhua Peng of the University of Science and Technology of China (USTC) says should, in principle, be detectable. “These defects are expected to interact with nuclear spins and induce signals as the Earth crosses them,” Peng explains.

A new axion search method

The problem, Peng continues, is that such signals are expected to be extremely weak and transient. She and her colleagues therefore developed an alternative axion search method that exploits a different predicted behaviour.

When fermions (particles with half-integer spin) interact, or couple, with axions, they should produce a pseudo-magnetic field. Peng and colleagues looked for evidence of this interaction using a network of five quantum sensors, four in Hefei and one in Hangzhou. These sensors combined a large ensemble of polarized rubidium-

87 (87Rb) atoms with polarized xeon-129 (129Xe) nuclear spins.

“Using nuclear spins has many advantages,” Peng explains. “These include a higher energy resolution detection for topological dark matter (TDM) axions thanks to a much smaller gyromagnetic ratio of nuclear spins; substantial spin amplification owing to the high ensemble density of noble-gas spins; and efficient optimal filtering enabled by the long nuclear-spin coherence time.”

The USTC researchers’ setup also has other advantages over previous laboratory-based TDM searches, including the Global Network of Optical Magnetometers for Exotic physics searches (GNOME). While GNOME operates in a steady-state detection mode, the USTC researchers use a detection scheme that probes transient “free-decay oscillating” signals generated on spins after a TDM crossing. The USTC team also implemented a dual-phase optimal filtering algorithm to extract TDM signals with a signal-to-noise ratio at the theoretical maximum.

Peng tells Physics World that these advantages enabled the team to explore regions of TDM parameter space well beyond limits set by astrophysical searches. The transient-state detection scheme also enables sensitive searches for TDM in the region where the axion mass exceeds 100 peV – a region that GNOME cannot access.

Most stringent constraints

The researchers have not yet recorded a statistically significant topological crossing event using their setup, so the dark matter search is not over. However, they have set more stringent constraints on axion-nucleon coupling across a range of axion masses from 10 peV to 0.2 μeV. Notably, they calculated that the coupling strength must be greater than 4.1 x 1010 GeV at an axion mass of 84 peV. This limit is stricter than those obtained from astrophysical observations, though Peng notes that these rely on different assumptions

Peng says the technique developed in this study, which is published in Nature, could lead to the development of even larger, more sensitive networks for detecting transient spin signals such as those from TDM. It also opens new avenues for investigating other physical phenomena beyond the Standard Model that have been theoretically proposed, but have so far lacked a pathway for experimental exploration.

The researchers now plan to increase the number of sensor stations in their network and extend their geographical baselines to intercontinental and even space-based scales. Peng explains that doing so will enhance the network’s detection sensitivity and boost signal confidence. “We also want to enhance the sensitivity of individual sensors via better spin polarization, longer coherence times and advanced quantum control techniques,” she says. Switching to a ³He–K system, she adds, could boost their current spin-rotation sensitivity by up to four orders of magnitude.

Da:

https://physicsworld.com/a/long-distance-quantum-sensor-network-advances-the-search-for-dark-matter/?nbd_source=3833891