Wissenschaftler schlagen eine neue Methode vor, um nach Abweichungen vom Standardmodell der Physik zu suchen.

29. November 2023

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von Whitney Clavin, California Institute of Technology

Bei der Suche nach neuen Teilchen und Kräften in der Natur sind Physiker auf der Jagd nach Verhaltensweisen in Atomen und Molekülen, die durch das bewährte Standardmodell der Teilchenphysik verboten sind. Abweichungen von diesem Modell könnten auf das hinweisen, was Physiker liebevoll als "neue Physik" bezeichnen.

Der Assistenzprofessor für Physik an der Caltech, Nick Hutzler, und seine Gruppe sind auf der Suche nach bestimmten Arten von Abweichungen, die dazu beitragen würden, das Geheimnis zu lösen, warum es so viel Materie in unserem Universum gibt. Als unser Universum vor etwa 14 Milliarden Jahren geboren wurde, existierten Materie und ihr Partner, Antimaterie, wahrscheinlich in gleicher Menge.

Normalerweise löschen sich Materie und Antimaterie gegenseitig aus, aber es gab eine Art Asymmetrie zwischen den verschiedenen Arten von Teilchen, die dazu führte, dass die Materie sich gegenüber der Antimaterie durchsetzte. Hutzlers Gruppe führt Tischexperimente durch, um nach Symmetrieverletzungen zu suchen - nach den abweichenden Teilchenverhalten, die zu unserem asymmetrisch von Materie dominierten Universum geführt haben.

Jetzt haben die von Chi Zhang, der David und Ellen Lee Postdoktorand-Forschungsstipendiatin in Physik an der Caltech, geleiteten Team in Physical Review Letters einen Weg gefunden, ihre Studien durch die Anwendung von Verschränkung zu verbessern, einem Phänomen in der Quantenphysik, bei dem zwei entfernte Partikel auch ohne direkten Kontakt verbunden bleiben können. Die Studie trägt den Titel "Quantum-Enhanced Metrology for Molecular Symmetry Violation using Decoherence-Free Subspaces".

In diesem Fall haben die Forscher eine neue Methode entwickelt, um Molekülarrays zu veschränken, die als Sonden dienen, um die Symmetrieverletzungen zu messen. Durch die Verschränkung der Moleküle werden die Arrays weniger empfindlich gegenüber Hintergrundgeräuschen, die das Experiment stören können, und empfindlicher gegenüber dem gewünschten Signal.

"Es ist wie wenn man eine Gruppe von Gummitieren aneinander festbindet", sagt Hutzler. "Wenn man die Bewegung der Entchen in einer Badewanne messen wollte, wären sie weniger empfindlich gegenüber dem Spritzwassergeräusch, wenn man sie alle miteinander verbindet. Und sie wären empfindlicher gegenüber etwas, das man vielleicht messen möchte, wie beispielsweise die Strömung eines Stroms, da sie alle gemeinsam darauf reagieren würden."

"Wir wollen empfindlich für die Struktur der Moleküle sein", sagt Zhang. "Ungesteuerte elektrische und magnetische Felder aus dem experimentellen Aufbau stören unsere Messungen, aber jetzt haben wir ein neues Protokoll zur Verschränkung der Moleküle entwickelt, so dass sie weniger empfindlich auf das Rauschen reagieren."

Konkret kann diese neue Methode verwendet werden, um winzige Neigungen in Elektronen zu suchen, die als Reaktion auf elektrische Felder innerhalb der Moleküle auftreten können. "Die leichten Rotationen würden darauf hinweisen, dass Elektronen oder Atomkerne mit elektrischen Feldern wechselwirken, und das ist laut dem Standardmodell verboten", sagt Hutzler.

"Andere Ansätze, die Verschränkung nutzen, würden in der Regel die Empfindlichkeit für Rauschen erhöhen", fügt er hinzu. "Chi hat einen Weg gefunden, das Rauschen zu reduzieren und uns trotzdem einen Empfindlichkeitsgewinn durch Verschränkung zu ermöglichen."

In einer anderen kürzlich in Science veröffentlichten experimentellen Studie, die von Hutzler und John M. Doyle von der Harvard University geleitet wurde, zeigte sich, dass die polyatomaren Moleküle, die in solchen Studien verwendet werden, weitere einzigartige Fähigkeiten haben, sich vor elektromagnetischem Rauschen zu schützen, wenn auch ohne den Empfindlichkeitsgewinn durch Verschränkung.

In dieser Studie zeigten die Forscher, dass sie die Empfindlichkeit des Moleküls für externe Felder einstellen und tatsächlich die Empfindlichkeit zum Verschwinden bringen können, wodurch die Moleküle weitgehend immun gegen Rauschen sind.

"Mit den Vorteilen der Verschränkung können Forscher diese Experimente nutzen, um immer exotischere Bereiche der neuen Physik zu erforschen", sagt Hutzler.

Zeitschrifteninformationen: Physical Review Letters, Science

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