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缩小暗物质粒子筛查范围:科学家已将轴子排除在外

2019年04月01日 15:08 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论 1.png

科学家们预计,看不见、摸不着的暗物质(Dark Matter),约占宇宙质量的 85% 。遗憾的是,其与常规物质的相互作用非常微弱,以至于物理学家们一找就是几十年。一种被叫做“轴子”(Axions)的疑似暗物质粒子,属于长期的候选之一。不过最近,科学家们已经通过最新的研究,将这种可能性排除在外。

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在一项最新的实验中,科学家发现这个假想粒子(至少在一定质量范围内)并不存在。(via:New Atlas


关于暗物质的可能构成,物理学家们已经提出了许多理论。然而发现暗物质的不同实验,通常集中在一种特定类型的粒子上。尽管没能找到确切的内容,但这至少有助于缩小未来研究的方向和范围。

此前,HADES 粒子探测器已经排除了“暗光子”(Dark Photons),且 LUX 和 XENON1T 也排除了某些类型的“弱相互作用”大质量粒子(WIMP)。

本文介绍的最新研究,围绕另一个不同的嫌疑对象展开,它就是“轴子”(Axions)。假想中这类体态轻盈的中性粒子无处不在,且与周围的漂浮的常规物质相互不起作用。

有理论称,轴子或许会与电、磁产生相互作用,所以研究人员决定通过专门设计的实验来检测。

首席研究员 Lindley Winslow 表示:“暗物质不会对人们的日常生活产生影响,但它们被认为可能宇宙的膨胀、以及我们在夜空中观察到的星系形成”。

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新型轴突探测器的横截剖面图(图自:MIT)


几年前,麻省理工学院的研究人员,提出了一个理论上可用于检测轴子的思想实验。简单说来就是:

由电磁场的性质可知,环形磁铁的中心不应有磁场。但若有轴子在到处乱窜,它们可能会在那个‘死区’(deadzone)创造出一个微弱的信号。

Winslow 表示,这项实验的理念很是诱人,如果能找到疑似轴子的信号,那它几乎不可能是其它缘由。

借助放大 B 场环装置,研究团队将这项实验命名为‘宇宙轴子探测的一种宽频 / 共振方法’(简称 ABRACADABRA)。

基本上,该装置就是一个小型圆环状磁铁,被保持在冷却至趋近绝对零度的腔室中。目前其已完成这套系统的构建,并且公布了最新的实验结果。

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为抵消来自冷却系统的振动干扰,舱室被悬吊在细线上,此外实验室屏蔽了外部的热量、噪声和电磁干扰。


在实验进行的第一个月,团队没有检测到任何质量在 0.31 到 8.3 纳电子伏特之间的轴子的迹象。

有鉴于此,研究团队得出了两种可能的结论 —— 要么轴子比这两个范围更大或更小,要么它们对电磁的影响,比此前设想的还要小。

然而本次试验的测试精度已经相当微小,只有百亿分之一。当然,这项研究的无效结果,并未驳斥暗物质的理论。

目前物理学家仍有一长串的‘候选粒子’,每一次的实验跨越,都是进一步缩小了筛查的方向与范围,让我们更加接近于终极的答案。

据悉,诸如 nEDM 之类的其它实验,已经对其它类型的候选粒子展开寻找。在未来的实验中,我们仍有希望迎来在一定质量范围内的结果。

有关这项研究的详情,已经发表在近日出版的《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。原标题为:

《First Results from ABRACADABRA-10 cm: A Search for Sub-μeV Axion Dark Matter》

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