Многочисленные теории предсказывают существование экзотических взаимодействий, выходящих за рамки стандартной модели. Они отличаются от четырех известных взаимодействий и опосредуются ранее неизвестными обменными частицами. В частности, взаимодействия, нарушающие четность, т.е. когда нарушается зеркальная симметрия, в настоящее время вызывают особый интерес. С одной стороны, потому что это сразу указало бы на конкретный тип новой физики, с которой мы имеем дело, а с другой стороны, потому что их эффекты легче отделить от ложных систематических эффектов, которые обычно не показывают нарушения зеркальной симметрии. "В текущей статье мы внимательно рассмотрим такое взаимодействие между спинами электронов и спинами нейтронов, опосредованное гипотетическим Z'-бозоном. В зеркальном мире это взаимодействие привело бы к другому результату; здесь нарушается паритет", - объясняет Дмитрий Будкер.

Этот "результат" выглядит следующим образом: все спины электронов внутри источника выровнены в одном направлении, то есть поляризованы, и поляризация непрерывно модулируется, создавая таким образом экзотическое поле, которое воспринимается как магнитное поле и может быть измерено с помощью датчика. В зеркальном мире экзотическое поле указывало бы не в том же направлении, как можно было бы ожидать в "реальном" зеркальном отражении, а в противоположном направлении: четность этого взаимодействия нарушается.

САПФИР - новый драгоценный камень в поисках новой физики

"Спиновый усилитель для исследований в области физики элементарных частиц" - сокращенно САПФИР - так исследователи назвали свою установку, основанную на двух элементах рубидии и ксеноне. Они уже использовали этот метод в аналогичной форме для поиска других экзотических взаимодействий и полей темной материи.

В частности, в экспериментальном поиске экзотических спин-спиновых взаимодействий две камеры, заполненные парами одного из двух элементов, расположены в непосредственной близости друг от друга: "В нашем эксперименте мы используем поляризованные электронные спины атомов рубидия-87 в качестве источника спина и поляризованные нейтронные спины благородного газовый ксенон, или, точнее, изотоп ксенон-129, в качестве спинового датчика", - говорит Дмитрий Будкер.

Хитрость заключается в том, что специальная структура и поляризованные атомы ксенона в спиновом датчике изначально усиливают поле, генерируемое в источнике рубидия: таким образом, эффект, вызванный потенциальным экзотическим полем, был бы в 200 раз больше. Теперь в игру вступает принцип ядерного магнитного резонанса, то есть тот факт, что ядерные спины реагируют на магнитные поля, которые колеблются с определенной резонансной частотой. Атомы рубидия-87 также присутствуют в небольшой пропорции в сенсорной ячейке для этой цели. Они, в свою очередь, действуют как чрезвычайно чувствительный магнитометр для определения силы резонансного сигнала.

Обнаружение такого экзотического поля в нужном диапазоне частот стало бы ключом к новому взаимодействию, которое мы ищем. Другие специальные экспериментальные детали гарантируют, что установка особенно чувствительна в интересующем диапазоне частот и менее чувствительна к паразитным эффектам от других магнитных полей, которые неизбежно также возникают в эксперименте.

"В целом, это довольно сложная установка, которая потребовала тщательного проектирования и калибровки. Очень приятно работать над такими сложными и интересными проблемами с нашими давними коллегами из Университета науки и технологий (USTC) в Хэфэе, Китай, которые проводили эксперимент", - сообщает Дмитрий Будкер.

После успешного подтверждения принципа ученые приступили к первой серии измерений для поиска экзотического взаимодействия. Хотя они еще не смогли обнаружить соответствующий сигнал после 24 часов измерений, увеличение чувствительности на пять порядков позволило им установить ограничения на силу взаимодействия новой обменной частицы со стандартными модельными частицами. Дальнейшая оптимизация могла бы даже повысить чувствительность эксперимента к особому экзотическому взаимодействию еще на восемь порядков. Это делает возможным использование сверхчувствительной сапфировой установки для открытия и изучения новой физики с потенциальными Z'-бозонами.