轴子暗物质双折射腔实验的首批结果建立了轴子搜索的新技术

麻省理工学院的研究人员最近发表了一项实验的首批结果，该实验旨在通过探测轴子引起的电磁波双折射来寻找轴子暗物质。虽然这些发表在《物理评论快报》上的发现并没有导致观察到与这些假设的暗物质粒子相关的信号，但他们建立了一种使用可调光学腔搜索轴子的新技术。

麻省理工学院LIGO实验室的研究科学家EvanHall告诉Phys.org：“这项实验是我们实验室与麻省理工学院理论物理中心的同事于2019年合作提出的，当时我们正在思考寻找一种名为轴子的假想暗物质粒子的新方法。”

“轴子和标准物质之间任何可观察到的相互作用预计都非常微弱。我们意识到，试图找到微弱信号的问题与探测引力波的问题非常相似，引力波是最近才探测到的另一种非常微弱的信号。”

经过各种理论讨论和考虑，霍尔和他的同事意识到，LIGO实验目前用于探测引力波的激光和光学工具可以重新用于进行轴子搜索。这催生了轴子暗物质双折射腔(ADBC)实验，该实验于2022年首次开始收集数据。

“我们想通过实验展示如何使用这些工具进行轴子搜索，”霍尔解释道。“光有两种偏振——水平和垂直。轴子，如果存在的话，预计会将一种偏振转换为另一种偏振。在我们的实验室里，我们使用激光产生垂直偏振光，并寻找任何迹象，表明轴子已经将部分光转换为水平偏振。”

ADBC实验所依赖的探测器由4面镜子组成，这些镜子排列成一个光学腔(即捕获光线的结构)。该光学腔存储并重复数千次来自激光的光束，从而增强微弱的轴子信号。

在实验的第一阶段，霍尔和他的同事使用该探测器寻找质量约为50neV(约10–40克)的轴子。值得注意的是，另一个位于英国的研究小组最近也在使用与麻省理工学院使用的仪器类似的设备寻找质量约为2neV的轴子。

麻省理工学院四年级博士生斯瓦达·潘迪(SwadhaPandey)表示：“我们的工作表明，这种新型腔体可以进行调节，以扩大可搜索的轴子质量范围。”

“具体来说，我们展示了可以通过调整腔体四个镜子的角度来调整腔体。可调性是使该装置可用于暗物质搜索的重要标准。由于没有人知道轴子的质量可能是多少，我们需要在广泛的可能质量范围内进行搜索。”

ADBC实验的首批结果对轴子类粒子与光子的耦合进行了限制。虽然他们目前还没有探测到轴子，但它们可以激发更多研究工作，旨在利用光学腔探测这些假设的暗物质粒子，从而可能有助于实验发现它们。

潘迪补充道：“证明这种方法可以在广泛的轴子质量范围内发挥作用后，下一步将是一个更大、更灵敏的实验。”

“这样的实验将使用更多的激光，这样就有更多的光子与轴子相互作用，实验规模也会更大，以增加光子与轴子相互作用的时间。调谐机制的自动化和镜面涂层的巧妙设计对于扫描整个可用的轴子质量范围也至关重要。”