占了宇宙85%的暗物質(zhì)，為什么就是找不到？強CP軸子或許是暗物質(zhì)

2020-06-26 22:03 作者:博科園 0人讀過 | 我要投稿

科學(xué)家使用腔日光鏡和低噪聲約瑟夫森參數(shù)放大器，進行一項搜索看不見的軸子暗物質(zhì)研究。空腔天文望遠鏡是一種靈敏的儀器，旨在探測和研究發(fā)光體或其他物理現(xiàn)象周圍的光暈。

另一方面，約瑟夫森參量放大器是可以用來操縱微波光場量子態(tài)的技術(shù)工具。在最新發(fā)表在《物理評論快報》期刊上的研究中，研究人員在銀河系暈中尋找質(zhì)量在2.81-3.31eV之間的暗物質(zhì)軸子。

這次搜索的結(jié)果，可能有助于排除之前的理論預(yù)測，為未來尋找看不見的軸子暗物質(zhì)提供信息。研究的合著者、華盛頓大學(xué)研究員尼克·杜(Nick Du)說：我們的研究是由兩個不同的物理學(xué)謎團推動，這兩個謎團都將通過探測軸子暗物質(zhì)來解決，首先是暗物質(zhì)之謎。過去的物理學(xué)研究證據(jù)表明，通常認(rèn)為的普通物質(zhì)只占宇宙總質(zhì)量的大約15%。

剩下的約85%被認(rèn)為是由不吸收、發(fā)射或反射光線的粒子組成，因此無法使用傳統(tǒng)的物質(zhì)研究技術(shù)進行檢測。這種被稱為暗物質(zhì)的不發(fā)光物質(zhì)，仍然是當(dāng)代物理學(xué)中最大的謎團之一，因為研究人員仍然不確定它是否存在，以及它是由什么組成。雖然現(xiàn)在已經(jīng)使用各種儀器對暗物質(zhì)進行了無數(shù)次的搜索，但到目前為止，這種神秘的物質(zhì)還沒有被觀測到或探測到。

暗物質(zhì)可能是什么的一種可能解決方案來自于另一個物理領(lǐng)域，即核物理，其形式是另一個被稱為強CP問題的謎團。強CP問題的一種流行解決方案，預(yù)測了一種被稱為軸子的新粒子存在，軸子的性質(zhì)，使其成為暗物質(zhì)一個引人注目的候選者。在尋找軸子暗物質(zhì)方面，ADMX的合作希望既解決強CP問題，又解決暗物質(zhì)性質(zhì)的謎團。研究人員使用的腔式天文望遠鏡，是由一個放置在大磁場內(nèi)的諧振腔組成。

根據(jù)理論預(yù)測，銀河系暈中的暗物質(zhì)軸子，應(yīng)該與空腔中的磁場耦合并產(chǎn)生光子。產(chǎn)生的光子數(shù)量很可能非常少，使得產(chǎn)生的信號很難被檢測到。然而，通過將軸子暈鏡內(nèi)部諧振腔調(diào)諧到與光子相同的頻率，可以增加星系暈產(chǎn)生的光子數(shù)量。在某種程度上，對軸子暗物質(zhì)的搜索，非常類似于無線電的運作方式。隨著收音機頻率的調(diào)諧，人們可以收聽到不同的電臺。在這方面實驗是相似的，只是不知道我們電臺的頻率，而且信號要弱得多。

對暗物質(zhì)軸子的搜索已經(jīng)進行了幾十年，現(xiàn)在研究人員已經(jīng)使用腔天文望遠鏡進行了多次這樣的搜索。雖然到目前為止還無法探測到看不見的軸子，但實驗結(jié)果排除了之前由軸子暗物質(zhì)基準(zhǔn)理論模型預(yù)測的一系列軸子質(zhì)量。這實際上是實驗第二次實現(xiàn)對軸子暗物質(zhì)的這種敏感性，但這一次，已經(jīng)將上一次研究的覆蓋范圍擴大了兩倍。通過實現(xiàn)和擴大這種敏感性，研究已經(jīng)表明，在繼續(xù)尋找軸子暗物質(zhì)的過程中，ADMX代表著找到最大希望之一。

研究人員收集的觀測結(jié)果，可以為未來尋找暗物質(zhì)軸子提供信息，同時也為新的理論預(yù)測鋪平了道路。研究人員現(xiàn)在正在進行一項新的研究，以尋找頻率更高的軸子暗物質(zhì)。如果這次搜索也不成功，研究人員計劃繼續(xù)以更高頻率搜索看不見的軸子。在更高頻率下，軸子暗物質(zhì)變得更難探測，因為將使用的傳統(tǒng)空穴對軸子不再那么敏感。然而，科學(xué)家已經(jīng)有了一些有趣的原型來繞過這個問題，比如使用多腔陣列來搜索軸子暗物質(zhì)的實驗。