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ADMX实验在暗物质轴上设置了世界上最好的约束

2019-11-19 16:35:49 编辑: 来源:
导读 ADMX具有世界领先的灵敏度,已排除了一定质量范围的轴作为暗物质。轴子是构成我们银河系大部分质量的暗物质的假设候选者。Axion暗物质实验

ADMX具有世界领先的灵敏度,已排除了一定质量范围的轴作为暗物质。

轴子是构成我们银河系大部分质量的暗物质的假设候选者。Axion暗物质实验寻找来自我们星系的“隐形”轴,这些轴在实验的强大磁场内转换为可检测的光粒子,称为光子。

Fermilab研究助理Rakshya Khatiwada说:“当您寻找像轴之类的新粒子时,您正在探索的相互作用会产生已知粒子,例如光子。”在过去四年中,他领导了ADMX低噪声检测器的开发。

Fermilab是ADMX的主要DOE实验室,由华盛顿大学托管。费米实验室由能源部科学办公室资助。

在ADMX内部,超导磁体会产生一个磁场,该磁场会将无法检测到的轴转化为光子。在该区域内放置着一个检测器,该检测器可以调谐到与银河系暗物质光环中来自不同质量的轴突信号相对应的不同频率,类似于无线电调谐到无线电台的方式。

如果您可以将尺子从可见的银河系的一端延伸到另一端,那么它将跨越大约100,000光年,这意味着从一端到另一端需要很多年才能获得光(这是宇宙中最快的东西)。另一个。从角度看,从太阳到地球仅需八分钟的光线。

但是,我们银河系的实际大小可能甚至更大。

科学家认为,球形的暗物质云(暗物质光环)几乎包围了每个星系。这个银河暗物质在银河系中心最密集,随着向外移动密度减小。地球距离银河系中心约25,000光年,因此物理学家可以预测暗物质的局部密度。

暗物质的存在是1933年首次基于昏迷星系团的运动提出的。科学家弗里茨·兹维基(Fritz Zwicky)计算得出,鉴于星团边缘附近的星系移动的方式,星团的质量应远大于观测到的质量。为了解决明显缺乏足够质量的问题,他建议必须处理一些其他问题(暗物质)。自那以来,有关暗物质的证据不断堆积,但是科学家们尚未在实验室中直接发现这种隐形物质的构成要素。

寻找暗物质的挑战在于,它很少与普通物质相互作用。为了进行比较,以中微子为例。中微子曾经被认为是暗物质的候选者。中微子以其非常弱的交互作用而闻名-每秒大约有1000亿个通过拇指尖。他们在没有您或您的身体注意到的情况下在您中航行。然而,科学家们想出了如何建立实验来检测中微子的方法。我们仍未检测到暗物质的事实意味着它们的相互作用甚至更弱,我们需要更敏感的实验来检测它们。

图片来源:费米国家加速器实验室

如果找到了轴,那么轴也将解决另一个物理难题:强电荷奇偶性问题。

1977年,物理学家海伦·奎因(Helen Quinn)和罗伯托·佩西(Roberto Peccei)提出了一种新的模型,用以解释强相互作用为什么不违反电荷奇偶性(CP)对称性的原因。此后不久,另外两名物理学家(后来的诺贝尔奖获得者)弗兰克·威尔泽克和史蒂芬·温伯格意识到佩切和奎因的模型预测了新粒子即轴的存在,后来又意识到轴可能是暗物质。强CP问题很复杂,但是它本质上具有与天体物理学一样没有暗物质的问题:与物理学标准模型有关的理论和观测是不匹配的。与暗物质一样,这个谜团意味着科学家还需要对自然界有一些完全的了解。

一次回答两个大的物理问题的潜力使斧头成为了人们寻找的热门粒子。

在2017年,ADMX的运行灵敏度是迄今为止所有轴测实验中最高的。这样做排除了一系列可能的轴突质量。

现在,ADMX合作团队根据2018年的数据发布了最新结果。新结果排除了另一个质量范围,该质量范围是第一个范围的四倍,同时保持了相同程度的出色灵敏度。

卡蒂瓦达说:“这个结果与ADMX敏感的质量范围内的斧头一样好。” “这具有不可思议的价值,因为我们要说的是,以前所未有的确定性,那里没有斧头。”

科学发现,特别是很少与物质相互作用的颗粒的科学发现,都依赖于这种清除过程。例如,希格斯玻色子是由大型强子对撞机于2012年发现的,距最初提出的时间已近50年。如果既没有CERN的大型电子正对撞机,又没有费米实验室的Tevatron对难以捉摸的粒子可能具有的质量进行约束,那么大型强子对撞机实验将不知道确切的位置。如果不设置约束,则几乎不可能置入新的,相互作用较弱的粒子。

根据这两个结果,ADMX排除了存在质量为2.66至3.33百万分之一电子伏特的轴的可能性。为了比较,电子的质量为511,000电子伏特。

有了更多的数据及其出色的灵敏度,ADMX将能够发现轴蚀是否存在或在更大范围的质量范围内将其排除在外。

ADMX今年将开始另一次数据采集,以探索超过333万分之一电子伏特的范围。随着减少背景噪声的新的和即将到来的进步,它只会增加对轴的敏感性。

卡蒂瓦达说:“帮助建立和运行世界上同类的实验是超现实的。” “看到从研究生和博士后到科学家和教授的辛勤工作的每个人都收获了,真是令人高兴。”


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