ADMX實驗在暗物質(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)實驗尋找來自我們星系的“隱形”軸，這些軸在實驗的強大磁場內(nèi)轉(zhuǎn)換為可檢測的光粒子，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，您正在探索的相互作用會產(chǎn)生已知粒子，例如光子。”在過去四年中，他領(lǐng)導(dǎo)了ADMX低噪聲檢測器的開發(fā)。

Fermilab是ADMX的主要DOE實驗室，由華盛頓大學(xué)托管。費米實驗室由能源部科學(xué)辦公室資助。

在ADMX內(nèi)部，超導(dǎo)磁體會產(chǎn)生一個磁場，該磁場會將無法檢測到的軸轉(zhuǎn)化為光子。在該區(qū)域內(nèi)放置著一個檢測器，該檢測器可以調(diào)諧到與銀河系暗物質(zhì)光環(huán)中來自不同質(zhì)量的軸突信號相對應(yīng)的不同頻率，類似于無線電調(diào)諧到無線電臺的方式。

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。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))幾乎包圍了每個星系。這個銀河暗物質(zhì)在銀河系中心最密集，隨著向外移動密度減小。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的運動提出的?？茖W(xué)家弗里茨·茲維基(Fritz Zwicky)計算得出，鑒于星團邊緣附近的星系移動的方式，星團的質(zhì)量應(yīng)遠(yuǎn)大于觀測到的質(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)家們尚未在實驗室中直接發(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1000億個通過拇指尖。他們在沒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驗來檢測中微子的方法。我們?nèi)晕礄z測到暗物質(zhì)的事實意味著它們的相互作用甚至更弱，我們需要更敏感的實驗來檢測它們。

圖片來源：費米國家加速器實驗室

如果找到了軸，那么軸也將解決另一個物理難題：強電荷奇偶性問題。

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，用以解釋強相互作用為什么不違反電荷奇偶性(CP)對稱性的原因。此后不久，另外兩名物理學(xué)家(后來的諾貝爾獎獲得者)弗蘭克·威爾澤克和史蒂芬·溫伯格意識到佩切和奎因的模型預(yù)測了新粒子即軸的存在，后來又意識到軸可能是暗物質(zhì)。強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)的理論和觀測是不匹配的。與暗物質(zhì)一樣，這個謎團意味著科學(xué)家還需要對自然界有一些完全的了解。

一次回答兩個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的運行靈敏度是迄今為止所有軸測實驗中最高的。這樣做排除了一系列可能的軸突質(zhì)量。

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

卡蒂瓦達(dá)說：“這個結(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值，因為我們要說的是，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子對撞機于2012年發(fā)現(xiàn)的，距最初提出的時間已近50年。如果既沒有CERN的大型電子正對撞機，又沒有費米實驗室的Tevatron對難以捉摸的粒子可能具有的質(zhì)量進行約束，那么大型強子對撞機實驗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步，它只會增加對軸的敏感性。

卡蒂瓦達(dá)說：“幫助建立和運行世界上同類的實驗是超現(xiàn)實的。” “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人都收獲了，真是令人高興。”