寻找难以捉摸的轴子粒子实验表明探索暗区的更好方法

自从将近半个世纪前轴子首次被理论预测以来，研究人员一直在寻找这种难以捉摸的粒子的证据，这种粒子可能存在于可见宇宙之外的暗区。但是如何找到看不见的粒子呢?

洛斯阿拉莫斯的CoherentCAPTAIN-Mills实验的第一个物理结果——刚刚在《物理评论D》杂志上发表的一篇文章中有所描述——表明液态氩、基于加速器的实验最初旨在寻找类似的假设粒子，例如惰性中微子,也可能是寻找隐形轴子的理想装置。

物理学家理查德范德沃特说：“暗扇区粒子的确认将对理解粒子物理学的标准模型以及宇宙的起源和演化产生深远的影响。”“物理学界的一个重点是探索检测和确认这些粒子的方法。CoherentCAPTAIN-Mills实验将现有的暗物质粒子(例如轴子)预测与能够产生这种难以发现的暗物质的高强度粒子加速器相结合事情。”

揭开黑暗部门的神秘面纱

物理学理论表明，只有5%的宇宙由可见物质(原子构成我们可以看到、触摸和感觉到的东西)组成，其余95%是物质和能量的组合，称为暗区。轴子、惰性中微子和其他物质可以解释和解释全部或部分缺失的能量密度。

轴子的存在也可以解决标准模型中一个长期存在的问题，该模型概述了亚原子世界的已知行为。有时被称为宇宙的“化石”，据推测起源于大爆炸后的一秒钟，轴子也可以告诉我们很多关于宇宙创始时刻的信息。

CoherentCAPTAIN-Mills实验是2019年获得能源部暗区研究资助的几个项目之一，同时还获得了洛斯阿拉莫斯实验室指导研究与开发计划的大量资助。在2019年洛斯阿拉莫斯中子科学中心(LANSCE)束循环期间建造并运行了一个名为CCM120的原型探测器。PhysicalReviewD出版物描述了CCM120初始工程运行的结果。

“基于第一轮CAPTAIN-Mills研究，该实验证明了执行轴子搜索的能力，”洛斯阿拉莫斯项目的物理学家BillLouis说。“我们意识到LANSCE的质子束和液态氩探测器设计提供的能量状态为类轴子粒子研究提供了一个未开发的范例。”

实验设计

CoherentCAPTAIN-Mills实验位于LANSCE附近的Lujan中心，是一个重达10吨的过冷液态氩探测器。(CAPTAIN代表用于精确测试氩与中微子反应的低温仪器。)

LANSCE加速器产生的高强度800兆电子伏特质子撞击Lujan中心的钨靶，然后穿过23米远的钢筋和混凝土屏蔽层到达探测器，在液态氩中相互作用。

原型检测器的内壁排列着120个8英寸灵敏光电倍增管(因此得名CCM120)，可检测闪光(单光子)，当规则或暗扇形粒子与液态氩罐中的原子碰撞时产生。

内壁上的特殊材料涂层将氩气发射转换为可见光，可见光可以被光电倍增管检测到。探测器和射束的快速计时有助于消除放射性衰变中射束中子、宇宙射线和伽马射线等背景粒子的影响。

拼图的碎片

轴子很受关注，因为它们“非常有动力”;也就是说，它们的存在强烈暗示在标准模型之外的理论中。经过70多年的发展，标准模型解释了四种已知基本力中的三种——电磁力、弱核力和强核力——它们控制着原子的行为，原子是物质的基石。(第四种力，引力，由爱因斯坦相对论解释。)但该模型不一定是完整的。

标准模型物理学中一个未解决的问题被称为“强CP问题”，“CP”表示电荷宇称对称性。从本质上讲，粒子和它们的反粒子对应物受到物理定律的作用相似。不过，标准模型物理学中没有任何内容强制要求这种行为，因此物理学家至少应该看到偶尔会违反这种对称性。

在弱力相互作用中，确实会发生电荷宇称对称性破坏。但是在强力相互作用中没有观察到类似的违规行为。理论上可能行为的令人费解的缺失代表了标准模型理论的一个问题。是什么阻止了强相互作用中电荷宇称对称性的破坏?

丰富的、几乎失重的和电中性的轴子可能是这个谜题的重要组成部分。轴子在1978年获得了它的绰号，它是由物理学家FrankWilczek以一种洗衣粉品牌命名的，因为这样的粒子可以“清理”强CP问题。物理学家推测它们是保持电荷宇称对称性的暗物质力的组成部分，并且它们可能与光子和电子耦合或相互作用。

下一步

如果轴子确实存在，找到它们可能需要设计正确的实验装置。

“由于使用我们的CCM120探测器进行了首次运行，我们对类轴子粒子在穿过液态氩时与光子和电子耦合的特征有了更好的理解，”路易斯说。“这些数据让我们了解如何将探测器升级到更灵敏一个数量级。”