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索求暗物质粒子商讨升温,暗物质轴子探测

暗物质轴子探测:认识宇宙的新窗口

寻找暗物质粒子研究升温 旨在揭开物理学最大谜团之一

■高宇 李闯 李田军

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近日,美国麻省理工学院物理学家完成了一项名为ABRACADABRA(魔术师用语:见证奇迹的时刻,简称为ABRA)的轴子搜寻技术的先期测试。这项实验的目的是希望能探测到轴子型暗物质粒子。

图片来源:Mark Stone

实验首席研究员、麻省理工学院物理学教授Lindley Winslow说:“这是第一次有人直接探测这个质量范围的轴子……作为暗物质,轴子可能不会影响你的日常生活,但它们会影响宇宙的膨胀和我们在夜空中看到的星系的形成。”

本报讯 对一种被称为轴子的微小粒子的探寻如今正在如火如荼地进行。这种粒子可能构成了暗物质,而正是后者的引力阻止了星系的分崩离析。

ABRA实验现有的探测灵敏度弱于欧洲核子中心已有的太阳轴子望远镜,下一阶段的实验灵敏度预计也远远达不到QCD轴子理论预言的耦合强度。

物理学家在4月9日出版的《物理评论快报》上报告称,美国西雅图市华盛顿大学的轴子暗物质实验终于达到了探测轴子所需的灵敏度,前提是如果它们真的构成了暗物质。

Winslow称,他们将继续运行实验,以达到更高的灵敏度,与此同时,他们也计划扩大实验规模,希望可以探测到质量更轻的轴子。

然而,研究人员并不知道轴子的重量到底有多少,并且他们可能需要数年时间才能够扫描完可能的质量范围。

轴子是一种超出标准模型预言的赝标量基本粒子。最早由Peccei、Quinn、Weinberg、Wilczek等人提出,并由Wilczek命名。轴子源自于高能标的对称性破缺,可以解决量子色动力学的疑难问题和中子电偶极矩的精细调节问题。

轴子是一种假设的粒子,它于41年前被科学家提出,用来解决强核力理论中的一个问题。强核力将被称为夸克的粒子结合在一起,从而形成了质子和中子。

国际上的其他主流轴子探测大多聚焦于微电子伏特,如由Sikivie等人提出,现位于华盛顿大学的高精度微波共振腔实验ADMX。

然而,轴子可能具备双重功能,即同时还可供暗物质使用——宇宙论研究显示,暗物质占所有物质的85%。

麻省理工学院理论物理学家们提出了ABRA实验方案,用于探测更低质量的纳电子伏的轴子。2018年,麻省理工学院的物理学家温斯洛团队进行了这个实验的首次试运行,在当年7月至8月期间不断取样。

到目前为止,暗物质仅仅通过它的引力揭示其自身,所以物理学研究的最大谜团之一就是构成暗物质的粒子到底是什么。

粒子物理的标准模型是人类认识自然的伟大胜利,但是,众多迹象表明这一标准模型并不完整。除无法解释暗物质、暗能量等天文学和宇宙学上的发现之外,标准模型自身也有一些问题。

如果暗物质由漂浮在周围的轴子组成,那么从理论上说,物理学家应该能够用一个足够强大的磁场以及一部非常灵敏的无线电发射器探测到它们。

物理学的发展历史表明,理论自身的需要是通向新物理的必由之路。轴子起源于标准模型中量子色动力学解释自身理论疑难的需求,同时又可以对宇宙中的暗物质加以合理解释。因此,轴子的提出既是理论自身的需要,同时又可以解释暗物质的观测结果。故轴子在物质的基本相互作用和宇宙起源与演化两大科学问题方向上都具有重大意义。

磁场会把轴子转换成光子,并且轴子的重量非常轻,因此这些光子的无线电频率将会非常低,而且应该在一个独特的频率上提供超微弱的无线电波。

更有趣的是,类似轴子的粒子广泛存在于高时空维度的理论中,如超弦理论。因此,轴子也是打开普朗克能标物理的一个窗口。但是,轴子的理论质量范围非常广阔,最轻的模型可以小到Witten等人提出的zepto电子伏特(纳电子伏特的万亿分之一),而量子色动力学模型则倾向于微电子伏特。

在物理学家的这项新研究成果中,ADMX的研究人员在2.66微电子伏特到2.82MeV(大约是电子质量的20百万兆分之一)的范围内排除了轴子存在的可能性。

目前科学家们尚不能确定轴子的具体质量,由于它们与普通物质的耦合非常弱,这给实验探测带来了挑战。然而一旦能够在实验上验证轴子或类轴子的存在,则会让我们的基础理论向着物理学终极问题前进一大步。

物理学家认为,如果暗物质仅仅是由轴子组成的,那么这种粒子的质量必须在1MeV和100MeV之间。因此,ADMX的研究人员现在将把他们精心设计的无线电天线的频率尽可能地向上提升——调至大约40MeV。

引力波的发现为人类打开了认识宇宙的全新窗口,暗物质轴子的探测是否能够打开另一扇窗?我们拭目以待!

轴子是粒子物理与天体粒子物理和凝聚态物理预言“存在”的一种亚原子粒子,是正负电子对撞后的一种“次级”粒子,是在玻色子能级的“衍射 辐射”能量丢失“逃逸”的极化新粒子。轴子粒子以一种能量轴线延“一维度时间空间”做线性跃迁角动量运动。

(作者单位:中国科学院高能物理研究所、中国科学院理论物理研究所)

暗物质是理论上提出的可能存在于宇宙中的一种不可见的物质,它可能是宇宙物质的主要组成部分,但又不属于构成可见天体的任何一种目前已知的物质。

《中国科学报》 (2019-05-07 第8版 探索发现)

大量天文学观测中发现的疑似违反牛顿万有引力的现象可以在假设暗物质存在的前提下得到很好的解释。现代天文学通过天体的运动、引力透镜效应、宇宙的大尺度结构的形成、微波背景辐射等观测结果表明暗物质可能大量存在于星系、星团及宇宙中,其质量远大于宇宙中全部可见天体的质量总和。结合宇宙中微波背景辐射各向异性观测和标准宇宙学模型可确定宇宙中暗物质占全部物质总质量的85%。

《中国科学报》 (2018-04-11 第2版 国际)

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