ADMX實(shí)驗(yàn)在暗物質(zhì)軸上設(shè)置了世界上最好的約束

ADMX具有世界領(lǐng)先的靈敏度，已排除了一定質(zhì)量范圍的軸作為暗物質(zhì)。

軸子是構(gòu)成我們銀河系大部分質(zhì)量的暗物質(zhì)的假設(shè)候選者。Axion暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)尋找來自我們星系的“隱形”軸，這些軸在實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)大磁場(chǎng)內(nèi)轉(zhuǎn)換為可檢測(cè)的光粒子，稱為光子。

Fermilab研究助理Rakshya Khatiwada說：“當(dāng)您尋找像軸之類的新粒子時(shí)，您正在探索的相互作用會(huì)產(chǎn)生已知粒子，例如光子。”在過去四年中，他領(lǐng)導(dǎo)了ADMX低噪聲檢測(cè)器的開發(fā)。

Fermilab是ADMX的主要DOE實(shí)驗(yàn)室，由華盛頓大學(xué)托管。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室由能源部科學(xué)辦公室資助。

在ADMX內(nèi)部，超導(dǎo)磁體會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)會(huì)將無法檢測(cè)到的軸轉(zhuǎn)化為光子。在該區(qū)域內(nèi)放置著一個(gè)檢測(cè)器，該檢測(cè)器可以調(diào)諧到與銀河系暗物質(zhì)光環(huán)中來自不同質(zhì)量的軸突信號(hào)相對(duì)應(yīng)的不同頻率，類似于無線電調(diào)諧到無線電臺(tái)的方式。

如果您可以將尺子從可見的銀河系的一端延伸到另一端，那么它將跨越大約100,000光年，這意味著從一端到另一端需要很多年才能獲得光(這是宇宙中最快的東西)。另一個(gè)。從角度看，從太陽到地球僅需八分鐘的光線。

但是，我們銀河系的實(shí)際大小可能甚至更大。

科學(xué)家認(rèn)為，球形的暗物質(zhì)云(暗物質(zhì)光環(huán))幾乎包圍了每個(gè)星系。這個(gè)銀河暗物質(zhì)在銀河系中心最密集，隨著向外移動(dòng)密度減小。地球距離銀河系中心約25,000光年，因此物理學(xué)家可以預(yù)測(cè)暗物質(zhì)的局部密度。

暗物質(zhì)的存在是1933年首次基于昏迷星系團(tuán)的運(yùn)動(dòng)提出的?？茖W(xué)家弗里茨·茲維基(Fritz Zwicky)計(jì)算得出，鑒于星團(tuán)邊緣附近的星系移動(dòng)的方式，星團(tuán)的質(zhì)量應(yīng)遠(yuǎn)大于觀測(cè)到的質(zhì)量。為了解決明顯缺乏足夠質(zhì)量的問題，他建議必須處理一些其他問題(暗物質(zhì))。自那以來，有關(guān)暗物質(zhì)的證據(jù)不斷堆積，但是科學(xué)家們尚未在實(shí)驗(yàn)室中直接發(fā)現(xiàn)這種隱形物質(zhì)的構(gòu)成要素。

尋找暗物質(zhì)的挑戰(zhàn)在于，它很少與普通物質(zhì)相互作用。為了進(jìn)行比較，以中微子為例。中微子曾經(jīng)被認(rèn)為是暗物質(zhì)的候選者。中微子以其非常弱的交互作用而聞名-每秒大約有1000億個(gè)通過拇指尖。他們?cè)跊]有您或您的身體注意到的情況下在您中航行。然而，科學(xué)家們想出了如何建立實(shí)驗(yàn)來檢測(cè)中微子的方法。我們?nèi)晕礄z測(cè)到暗物質(zhì)的事實(shí)意味著它們的相互作用甚至更弱，我們需要更敏感的實(shí)驗(yàn)來檢測(cè)它們。

圖片來源：費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室

如果找到了軸，那么軸也將解決另一個(gè)物理難題：強(qiáng)電荷奇偶性問題。

1977年，物理學(xué)家海倫·奎因(Helen Quinn)和羅伯托·佩西(Roberto Peccei)提出了一種新的模型，用以解釋強(qiáng)相互作用為什么不違反電荷奇偶性(CP)對(duì)稱性的原因。此后不久，另外兩名物理學(xué)家(后來的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者)弗蘭克·威爾澤克和史蒂芬·溫伯格意識(shí)到佩切和奎因的模型預(yù)測(cè)了新粒子即軸的存在，后來又意識(shí)到軸可能是暗物質(zhì)。強(qiáng)CP問題很復(fù)雜，但是它本質(zhì)上具有與天體物理學(xué)一樣沒有暗物質(zhì)的問題：與物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型有關(guān)的理論和觀測(cè)是不匹配的。與暗物質(zhì)一樣，這個(gè)謎團(tuán)意味著科學(xué)家還需要對(duì)自然界有一些完全的了解。

一次回答兩個(gè)大的物理問題的潛力使斧頭成為了人們尋找的熱門粒子。

在2017年，ADMX的運(yùn)行靈敏度是迄今為止所有軸測(cè)實(shí)驗(yàn)中最高的。這樣做排除了一系列可能的軸突質(zhì)量。

現(xiàn)在，ADMX合作團(tuán)隊(duì)根據(jù)2018年的數(shù)據(jù)發(fā)布了最新結(jié)果。新結(jié)果排除了另一個(gè)質(zhì)量范圍，該質(zhì)量范圍是第一個(gè)范圍的四倍，同時(shí)保持了相同程度的出色靈敏度。

卡蒂瓦達(dá)說：“這個(gè)結(jié)果與ADMX敏感的質(zhì)量范圍內(nèi)的斧頭一樣好。” “這具有不可思議的價(jià)值，因?yàn)槲覀円f的是，以前所未有的確定性，那里沒有斧頭。”

科學(xué)發(fā)現(xiàn)，特別是很少與物質(zhì)相互作用的顆粒的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，都依賴于這種清除過程。例如，希格斯玻色子是由大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)于2012年發(fā)現(xiàn)的，距最初提出的時(shí)間已近50年。如果既沒有CERN的大型電子正對(duì)撞機(jī)，又沒有費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的Tevatron對(duì)難以捉摸的粒子可能具有的質(zhì)量進(jìn)行約束，那么大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)將不知道確切的位置。如果不設(shè)置約束，則幾乎不可能置入新的，相互作用較弱的粒子。

根據(jù)這兩個(gè)結(jié)果，ADMX排除了存在質(zhì)量為2.66至3.33百萬分之一電子伏特的軸的可能性。為了比較，電子的質(zhì)量為511,000電子伏特。

有了更多的數(shù)據(jù)及其出色的靈敏度，ADMX將能夠發(fā)現(xiàn)軸蝕是否存在或在更大范圍的質(zhì)量范圍內(nèi)將其排除在外。

ADMX今年將開始另一次數(shù)據(jù)采集，以探索超過333萬分之一電子伏特的范圍。隨著減少背景噪聲的新的和即將到來的進(jìn)步，它只會(huì)增加對(duì)軸的敏感性。

卡蒂瓦達(dá)說：“幫助建立和運(yùn)行世界上同類的實(shí)驗(yàn)是超現(xiàn)實(shí)的。” “看到從研究生和博士后到科學(xué)家和教授的辛勤工作的每個(gè)人都收獲了，真是令人高興。”