用新型腔體探測器尋找隱形軸子暗物質

2021-01-08 量子認知

軸子（axion）是一種假想的亞原子粒子，大約是1970年代為了解決CP守恆問題所提出的一個假想粒子，目前科學家們正在不停努力地尋找它，這是由於認為可以解釋理論和描述基本對稱性的實驗之間的矛盾的特定機制導致的。這種對稱性與宇宙中物質與物質的不平衡有關，反映在不同粒子之間的相互作用中。

軸子暗物質實驗（Axion Dark Matter Experiment，縮寫ADMX）在大型超導磁體中使用共振微波腔，以搜索局部銀河暗物質暈中的冷暗物質軸子。

如果這種機制發生在早期的宇宙中，那麼這種粒子的質量可能很小並且是「不可見的。」隨後，研究人員提出，軸子也可能是暗物質的一種有前途的候選者，暗物質是一種難以捉摸的，假設的物質不發射、反射或吸收光。

雖然尚未通過實驗觀察到暗物質，但據信它佔宇宙質量的85％。檢測軸子可能對正在進行的暗物質實驗具有重要意義，因為它可以增強對這些難以捉摸的粒子的當前理解。

在發表在最近一期的《物理評論通訊》的論文中，研究人員最近使用所設計的多腔體腔鏡，即觀察光環、視差和其他類似物理現象的儀器，對隱形軸子暗物質進行了搜索。他們的結果與以前的基於懸臂式的軸距暗物質搜索相比，具有優勢，突出了他們為暗物質搜索和其他物理學研究創建的儀器的潛力。

研究人員表示：「軸子可以以微波光子的形式檢測到，並在強磁場存在下被轉化為軸子。」 「腔體檢波器通常採用放置在螺線管中的圓柱形諧振器來利用諧振來增強信號，是探究公認的理論模型的最靈敏方法。」

儘管腔體檢波鏡可能是檢測軸突的有前途的工具，但它們通常對相對較低的頻率非常敏感。這主要是因為諧振頻率與腔體半徑成反比，從而減小了高頻搜索的檢測量。

這就是為什麼迄今為止進行的最敏感的軸子搜索，即軸子暗物質實驗將實驗極限設置在1GHz以下的原因之一。避免這種體積損失的一種可能方法是將許多較小的腔捆綁在一起並組合單個信號，以確保所有頻率和相位都同步。

研究人員說：「這種多腔系統是較早提出的，但由於對系統操作的可靠性和複雜性的影響，未能得到成功解決。」因此開發了一種新穎的腔體設計。」

所設計的腔體檢眼鏡的特點是有多個隔板，可以將腔體的體積垂直地分成相同的單元。這種獨特的設計以最小的體積損耗提高了諧振頻率。研究人員還確保位於空腔中央的隔板之間被間隙隔開。

如圖所示各種多腔（雙腔、四腔和八腔）的橫截面圖，其中所關注的共振模式具有軸子感應電場的預期分布。

研究人員解釋說：「通過使所有單元在空間上相連，我們的設計使單個天線可以從整個空間拾取信號，從而大大簡化了接收器鏈的結構。」 「最佳尺寸的間隙還允許軸子感應的信號均勻地分布在整個空間上，無論腔體構造中的加工公差和機械失誤如何，最大化有效容積。」

研究人員用來進行實驗的天文望遠鏡是基於模擬的大約兩年研究的結果，然後製造了許多原型。在他們最近的研究中，它被用來利用9T超導磁體在2開爾文（-271°C）的溫度下搜索軸子暗物質。這使研究人員能夠快速掃描3 GHz以上> 200 MHz的頻率範圍，這是ADMX實驗所涵蓋頻率範圍的4至5倍。

研究人員表示：「即使我們還沒有觀察到任何類似軸子的信號，也成功地證明了多細胞腔體能夠以高性能和可靠性檢測高頻信號。」 「我們還計算出，由於更大的體積和更高的效率，這種新的腔體設計可以使我們探索給定頻率範圍的頻率比傳統頻率快4倍。」

這項研究證明了所開發的天文望遠鏡的價值和潛力，這些天文望遠鏡可用於在高頻區域進行隱形暗物質搜索。因此，將來它可以幫助尋找這種難以捉摸的物質，甚至有一天甚至可以對其進行檢測。

#暗物質#

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