占宇宙85%的暗物质，为什么就是找不到？强CP轴子或是暗物质

清风哥

科学家使用腔日光镜和低噪声约瑟夫森参数放大器，进行一项搜索看不见的轴子暗物质研究。空腔天文望远镜是一种灵敏的仪器，旨在探测和研究发光体或其他物理现象周围的光晕。另一方面，约瑟夫森参量放大器是可以用来操纵微波光场量子态的技术工具。在最新发表在《物理评论快报》期刊上的研究中，研究人员在银河系晕中寻找质量在2.81-3.31eV之间的暗物质轴子。


这次搜索的结果，可能有助于排除之前的理论预测，为未来寻找看不见的轴子暗物质提供信息。研究的合著者、华盛顿大学研究员尼克·杜(Nick Du)说：我们的研究是由两个不同的物理学谜团推动，这两个谜团都将通过探测轴子暗物质来解决，首先是暗物质之谜。过去的物理学研究证据表明，通常认为的普通物质只占宇宙总质量的大约15%。


剩下的约85%被认为是由不吸收、发射或反射光线的粒子组成，因此无法使用传统的物质研究技术进行检测。这种被称为暗物质的不发光物质，依旧是当代物理学中最大的谜团之一，因为研究人员依旧不确定它是否存在，以及它是由什么组成。虽然现在已经使用各种仪器对暗物质进行了无数次的搜索，但到目前为止，这种神秘的物质还没有被观测到或探测到。


暗物质可能是什么的一种可能解决方案来自于另一个物理领域，即核物理，其形式是另一个被称为强CP问题的谜团。强CP问题的一种流行解决方案，预测了一种被称为轴子的新粒子存在，轴子的性质，使其成为暗物质一个引人注目的候选者。在寻找轴子暗物质方面，ADMX的合作希望既解决强CP问题，又解决暗物质性质的谜团。研究人员使用的腔式天文望远镜，是由一个放置在大磁场内的谐振腔组成。


根据理论预测，银河系晕中的暗物质轴子，应该与空腔中的磁场耦合并产生光子。产生的光子数量很可能非常少，使得产生的信号很难被检测到。然而，通过将轴子晕镜内部谐振腔调谐到与光子相同的频率，可以增加星系晕产生的光子数量。在某种程度上，对轴子暗物质的搜索，非常类似于无线电的运作方式。随着收音机频率的调谐，人们可以收听到不同的电台。在这方面实验是相似的，只是不知道我们电台的频率，而且信号要弱得多。


对暗物质轴子的搜索已经进行了几十年，现在研究人员已经使用腔天文望远镜进行了多次这样的搜索。虽然到目前为止还无法探测到看不见的轴子，但实验结果排除了之前由轴子暗物质基准理论模型预测的一系列轴子质量。这实际上是实验第二次实现对轴子暗物质的这种敏感性，但这一次，已经将上一次研究的覆盖范围扩大了两倍。通过实现和扩大这种敏感性，研究已经表明，在继续寻找轴子暗物质的过程中，ADMX代表着找到最大希望之一。


研究人员收集的观测结果，可以为未来寻找暗物质轴子提供信息，同时也为新的理论预测铺平了道路。研究人员现在正在进行一项新的研究，以寻找频率更高的轴子暗物质。如果这次搜索也不成功，研究人员计划继续以更高频率搜索看不见的轴子。在更高频率下，轴子暗物质变得更难探测，因为将使用的传统空穴对轴子不再那么敏感。然而，科学家已经有了一些有趣的原型来绕过这个问题，比如使用多腔阵列来搜索轴子暗物质的实验。


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参考期刊《物理评论快报》
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