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原标题:这项实验的指标是可望能探测到轴子型暗物质粒

浏览次数:119 时间:2019-11-20

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

今年3月,探测宇宙早期中性氢的21cm超精细电磁辐射的EDGES实验组宣布探测到了宇宙第一代恒星开始形成时的黎明时代(Cosmic Dawn,对应宇宙红移约17)相应的21cm 宇宙微波背景辐射吸收谱信号。这是人类历史上首次探测到来自宇宙黎明时代的信号,意义重大。但令人感到困惑的是,实验探测到的吸收信号幅度比标准宇宙学理论预测的可能最大幅度还大。迄今为止,标准宇宙学模型取得了巨大的成功,该理论框架相当准确地解释了宇宙的各种结构和性质。因此EDGES观测到的反常信号或许暗示着即将开启一个后ΛCDM宇宙学时代,并且可能为解开暗物质之谜提供一个新途径。这个发现暗示了宇宙黎明时代中性氢气体的温度比标准宇宙学理论预期的更冷(或光子背景温度比预期的更热)。一般来说,提高中性氢气体的温度比较容易,但降低很难,因为降低中性氢气体的温度需要温度更低的暗物质来冷却,这对各种暗物质模型带来了巨大的挑战。目前大多数暗物质模型难以自然地解释EDGES的结果,因为必须同时满足目前粒子物理、天体物理、宇宙学及暗物质探测实验的大量限制。

■高宇 李闯 李田军

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EDGES宣布的结果引发了大量跟踪研究。近期,中国科学院理论物理研究所研究员李田军及其合作者提出利用一种暗物质候选粒子——轴子来自然地解释这种反常的冷却效应。相关研究成果已发表于 《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett. 121, 111301 。

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

轴子最初是为了解释Strong CP问题(即为什么在强相互作用中CP守恒)而引入的,是超出标准模型的新粒子。在包含轴子的标准模型扩展中,引入了额外的整体UPQ对称性,该对称性在Peccei-Quinn能标(远高于QCD手征对称性破缺能标)自发破缺,Goldstone 理论告诉我们该模型包含一个无质量的赝标Goldstone玻色场,即轴子场。由于QCD瞬子效应(Instanton Effect)破坏整体UPQ对称性,故此轴子场在QCD手征对称性破缺能标之下获得很小的质量。另外,源于超弦理论中二形式反对称张量场的四维紧致化,在弦论中也不可避免的存在类似属性的粒子,这类粒子一般称为类轴子。

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。”

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。

轴子和类轴子(Axion-Like Particles)属于WISPs (Weakly Interaction Sub-eV Particles),是一种理想的暗物质粒子候选者。轴子暗物质在早期宇宙演化的适当时期可通过引力相互作用在Condensed Regime形成玻色-爱因斯坦凝聚(Axion BEC),该凝聚态的量子特性使得中性氢气体与Axion的引力耦合得以加强。在此工作中,李田军及其合作者正是利用了暗物质轴子的玻色-爱因斯坦凝聚,在黎明时代前冷却中性气体氢,在此过程中,轴子凝聚形成的大尺度关联放大了这种冷却效应,因此,中性气体氢能够以一种简单合理的方式被冷却,最终自然地解释了EDGES观测到的反常信号。

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。

近年来,轴子成为暗物质实验探测的一个重要方向,粒子物理、天体物理与宇宙学的交叉研究也越来越受关注。轴子是暗物质非常有希望的候选者,并且探测Axion实验的花费也相对较便宜,使得人们提出了各种寻找轴子的实验方案,有的已初步进行了实验并得到重要的物理结果,例如CERN的太阳轴子望远镜CAST实验和华盛顿大学的ADMX等。有的正在计划当中,例如由CAST升级的下一代IAXO实验,另外还有欧洲空间局的EUCLID宇宙大尺度巡天望远镜等。这些实验都非常有希望检验轴子暗物质理论的参数空间。该工作预言的轴子质量范围是10-450meV和100-450meV,正好处于下一代轴子探测实验IAXO及EUCLID的灵敏度范围内,故能被将来的实验检验。

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。

加拿大pc28 ,该工作由理论物理所李田军、博士后Nick Houston,暨南大学物理系副教授杨峤立,理论物理所博士李闯,中科院国家天文台研究生张欣合作完成。此研究是粒子物理学、宇宙学与天体物理领域交叉合作的研究成果。

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