基于自旋的放大器搜索轴子

一种在实验室中检测粒子相互作用的灵敏新方法首次被用于寻找轴子，这是一种假设的暗物质形式。 使用所谓的自旋放大器，一个国际物理学家团队成功地将轴子质量限制在 0.01 meV 到 1 meV 的预测“轴子窗口”内，从而弥合了先前实验室搜索和天体物理观测之间的差距。

轴子在 1970 年代首次被假设为解释物理学中一个被称为电荷奇偶性问题的突出难题的一种方式。 根据理论，它们会在大爆炸之后大量产生，并且应该既不带电荷又比电子小得多，这意味着它们与物质和电磁辐射的相互作用非常微弱。 这使它们成为暗物质的热门候选者，暗物质是一种神秘的物质，似乎构成了宇宙的大部分物质，并影响了大型物体（如星系）的引力特性。

奇异的偶极-偶极相互作用

新的轴子搜索方法利用了对轴子行为的进一步预测：当费米子（具有半整数自旋的粒子）交换轴子时，它们应该产生奇异的偶极 - 偶极相互作用，原则上可以在实验室中检测到。 在最新的研究中，由 彭新华 的 中国科学技术大学, 与领导的研究人员一起 德米特里·巴德克 来自 亥姆霍兹研究所，约翰内斯古腾堡大学，美因茨，德国及 美国加州大学伯克利分校, 结合了一个大的极化铷 87 (⁸⁷Rb) 具有极化 Xeon-129 的原子（电子自旋源）（¹²⁹Xe) 核自旋以寻找这种相互作用的证据。

核自旋充当电子交换轴子可能产生的弱伪磁场的放大器，实验表明，这种基于自旋的放大器可以将外部磁场增强 40 倍以上。通过测量这个领域进行搜索，”彭解释说。 “为了寻找质量在 0.01 meV 到 1 meV 的轴子窗口内的轴子，我们调整了距离 ¹²⁹Xe 自旋放大器和 Rb 自旋源达到厘米级。”

该技术使研究人员能够将轴子质量限制在 0.03 meV 到 1 meV 之间，这在几个理论预测的范围内，包括高温晶格 QCD、标准模型轴子跷跷板希格斯门户膨胀 (SMASH) 模型和轴子弦网络. “到目前为止，现有的实验室搜索（例如 ADMX 之类的空腔实验）和天体物理观测（例如 SN1987A、白矮星和球状星团）主要搜索质量在这个窗口之外的轴子（除了西澳大利亚），”彭告诉 物理世界. “我们的结果进入了轴子窗口参数空间，补充了现有的天体物理学和实验室对潜在标准模型扩展的研究。”

提高实验灵敏度

Peng 说，这项技术可能会进一步扩展，以搜索超出粒子物理学标准模型的各种假设粒子，例如 Z' 玻色子和暗光子。 “例如，通过我们的技术，我们可以搜索由新粒子介导的广泛的奇异相互作用，例如副光子介导的相互作用，其相应的搜索灵敏度应该比现有的限制好很多数量级，”彭说。 “此外，我们可以直接搜索可以与核子耦合的类轴子银河暗物质，从而使灵敏度超过以前的实验室限制几个数量级，甚至超过天体物理观测所获得的灵敏度。”

与此同时，研究人员详细介绍了他们的工作 “物理评论快报”，说他们将尝试进一步提高他们的技术对奇异相互作用的敏感性。 例如，使用基于 ³他们说，电子自旋或光学泵浦并五苯晶体等固态自旋源可以帮助实现这一目标。