作者:高宇 李闯 李田军 来源: 中国科学报发布时间:2019/5/7 9:07:36
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暗物质轴子探测:认识宇宙的新窗口

■高宇 李闯 李田军

近日,美国麻省理工学院(MIT)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。

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。"

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(CAST),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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

更有趣的是,类似轴子的粒子(类轴子)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。

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。

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!

(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)

《中国科学报》 (2019-05-07 第8版 探索发现)
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