麻省理工学院的物理学家们正在提出一项新实验，以探测一种叫做轴子的暗物质粒子。如果成功的话，这一努力将破解粒子物理学中最令人费解的未解之谜之一，并最终让我们瞥见暗物质。
轴子是假设的基本粒子，被认为是宇宙中最轻的粒子之一——大约是质子的1 / 10次方。这些超轻粒子实际上是看不见的，但如果它们存在，轴子和其他尚未观测到的粒子可能会以暗物质的形式构成宇宙中80%的物质。
在《物理评论快报》在线发表的一篇论文中，麻省理工学院的团队提出了一个实验，通过模拟一种被称为磁星的极端天体物理现象来探测轴子。磁星是一种能产生强大磁场的中子星。物理学家们推断，在轴子存在的情况下，如此巨大的磁场会有如此轻微的波动，从而产生第二个小得多的磁场，作为轴子本身的特征。
该团队由MIT MIT Jesse Thaler，MIT Pappalardo Fellendi副教授和Yonatan Kahn Phd'15，现在是普林斯顿大学的博士学位。他们一起设计了一种实验，在受控实验室环境中使用磁共振成像（MRI）的技术重新创建磁场的物理学。
该实验的核心被命名为ABRACADABRA(一种利用放大b场环装置的宽带/共振方法来探测宇宙轴子)，它由一系列线圈组成，缠绕成环形或甜甜圈的形状，然后将其包裹在一层超导金属中，保存在温度略高于绝对零度的冰箱中，以减少外部噪音。科学家们计划使用一个高灵敏度的磁力仪，放置在甜甜圈洞内，以检测轴子影响的任何迹象。
“轴子是非常奇怪的、违反直觉的粒子，”塞勒说。“它们极其轻，相互作用微弱，但这种粒子可能主宰宇宙的物质预算，其质量比普通物质丰富五倍。所以我们真的必须努力思考这些粒子是否在原则上可以用目前的技术检测到。它是非常艰巨的。”
“诱人”粒子
如果它们被探测到，轴子也可以解释粒子物理学中的一个突出难题，即强CP(电荷同一性)问题:自20世纪70年代以来，科学家们对Safdi所描述的“中子对电场的冷漠”越来越感到困惑。中子是基本粒子，几乎存在于物质的每个原子的原子核中，而且它们不带净电荷。
“我们不指望中子在电场的存在下加速，因为它们不会携带电荷，但您可能希望他们旋转，”Safdi说。“这是因为我们希望他们有一个电动偶极瞬间，在那里你可以想到一个中子，在一侧上有一个加电荷，另一个是负荷。但从我们目前的理解来看，这种旋转效果不存在，而理论表明则应。“
科学家们假设这种奇异的效应可以用轴子来解释，它会以某种方式消除中子的电偶极矩。如果是这样，轴子将以一种可以被实验检测到的方式改变电和磁现象。
塞勒说:“说可能有一种粒子为这种深层目的服务是非常诱人的，如果我们能以暗物质的形式探测到这些粒子的存在，那就更诱人了。”
狩猎正在进行
目前，Thaler表示，大多数轴狩猎已经由华盛顿大学的研究人员进行，他们正在运行轴暗物实验，或兼并。实验使用谐振微波腔，设置在大超导磁体内，以检测到微波光子的轴的非常弱的转化。调整实验以在围绕质子的质量范围内寻找围绕围绕的特定范围的轴。
塞勒和他的团队意识到，通过在实验室中重现磁星的物理现象，他们可以扩大这个范围，寻找更小、更轻的粒子，质量大约是质子的1 / 10次方分之一。
“强CP问题与中子的自旋是否对电效应有反应有关，你可以把磁星想象成带有大磁场的巨大自旋，”塞勒解释说。“如果轴子进入并改变核物质的性质来解决强CP问题，也许轴子可以与这颗磁星相互作用，让你以一种新的方式来观察它。所以轴子的微妙效应应该被放大。”
Safdi说，球队的原型设计令人惊讶的是小 - “关于你的手掌，”Safdi说。作为培训的理论物理学家的研究人员现在正在使用麻省理工学院的实验主义者来构建原型，该原型旨在产生约1个特斯拉的基线磁场，与当前的MRI机器相当。如果存在轴，则该场应稍微波动，以与轴质量直接相关的频率产生非常微小的振荡。使用高精度磁力计，返回频率并最终使用它来识别轴尺寸。
“最近有许多好的想法来寻找[低频轴]，”华盛顿大学助理助理教授Grey Rybka说，并于一名兼容研究员，他没有参与研究。“这里提出的实验建立在以前的想法上，如果作者是正确的，那么可以是最实用的实验配置，可以探索一些合理的低频轴轴制度。”
“我们有一个对许多波长敏感的仪器，我们可以用一个特定波长的轴挠痒，而Abracadabra将产生共鸣，”Thaler说。“我们将进入未知的领土，在那里我们可以从这个原型中看到暗物质。这将是惊人的。”
这项研究得到了美国能源部和阿尔弗雷德·p·斯隆基金会的部分支持。
提交：航空+国防
