居世界首位,韩国首次搜索轴子暗物质,万物统一理论再进一步

2023-04-26 77 0

一个韩国研究团队最近宣布了最先进的实验装置来搜索Axion。

该小组成功地迈出了寻找源自万物统一理论(GUT)的Dine Fischler Srednicki Zhitnitsky(DFSZ)轴子暗物质的第一步。

不仅如此,与世界上任何其他轴子搜索实验相比,IBS-CAPP实验设置允许更高的搜索速度。

物理学已经“死亡”的概念在历史上反复出现,19世纪晚期,威廉·汤普森(William Thompson),也被称为开尔文勋爵(Lord Kelvin),错误地认为1900年后物理学不会有新的发现。

同样,一些人认为,在20世纪30年代发现中子后,没有新的粒子可以被发现。

即使在今天,也有人担心现代理论物理学已经走到了死胡同。

然而,这远非事实。

我们目前的物理学知识极限,标准模型,仅能解释宇宙的5%,其余95%由暗物质和暗能量组成,都无法解释。

当前的标准模型在解释强CP(电荷共轭宇称)问题等问题时也存在局限性。

问题来自于观察到,量子色动力学(QCD)所描述的强作用力似乎没有违反CP对称性,而电弱作用力在很小程度上违反了CP对称性。

这与标准模型相矛盾,该模型预测CP对称性应受到比观察到的更大程度的强力破坏。

该问题的一个解决方案涉及到被称为轴子的理论粒子,这可以解决强作用力中CP破坏的预测和观测水平之间的差异,轴子是暗物质的最强候选者之一。

轴子暗物质的发现无疑将是人类历史上的一个里程碑事件。

目前,存在两种不同的“超越标准模型”建议来解释强CP问题。

这两个模型的主要区别在于它们预测了轴子和其他粒子之间的不同类型的耦合。

在Kim Shifman Vainshtin-Zakharov(KSVZ)模型中,轴子主要耦合到重夸克,而在Dine Fischler Srednicki Zhitnitsky(DFSZ)模型中它们通过希格斯玻色子耦合到标准模型夸克和轻子。

作为暗物质,轴子与普通物质的相互作用非常微弱(或很少),因此寻找它们可能是一件棘手的事情。

一种常用的方法涉及微波腔实验。

这些实验使用强磁场将轴子(如果存在的话)转换成共振电磁波,然后用接收器检测到,之后可以根据检测到的波的频率来计算轴子的质量。

由于轴子质量是未知的,物理学家必须扩大搜索范围,扫描一个巨大的频率范围。

在搜索DFSZ轴子的情况下,问题更加严重,这需要比KSVZ轴子更高的灵敏度。

在微波腔搜索实验中,实现更高的灵敏度需要指数级更高的搜索时间,因此搜索DFSZ轴子对于几乎所有现有的实验装置来说都是遥不可及的。

因此,尽管一些轴子搜索实验成功地搜索了KSVZ轴子灵敏度范围内的信号,但迄今为止,唯一能够获得搜索DFSZ轴子所需灵敏度的实验是ADMX合作进行的ADMX(轴子暗物质实验)。

这使得IBS-CAPP成为世界上第二个成功搜索具有DFSZ敏感性的轴子的团队。

IBS-CAPP组使用了12T磁体,比ADMX使用的8T磁体更强大。

为了最小化背景噪声,实验装置保持在接近绝对零温度。

除了使用更强大的磁体外,IBS-CAPP实验还使用了量子技术和更有效的计算方法来整理数据。

这使得IBS-CAPP能够以ADMX设置速度的3.5倍搜索DFSZ轴 IBS-CAPP的最新出版物详细介绍了2022年3月1日至3月18日DFSZ axion搜索的新设置演示。

因此,该小组能够在DFSZ灵敏度下排除4.55µeV左右的轴子暗物质。

研究结果发表在《物理评论快报》杂志上。

科学家们表示:“轴子的发现将使我们能够理解宇宙质量能量的32%,而当前标准模型提供的质量能量为5%。

我们计划利用实验装置惊人的快速速度,在1到2GHz的宽频率范围内快速搜索DFSZ轴。

”科学家们希望轴子的发现将支持大统一理论(GUT),该理论将强、弱和电磁三种基本力统一起来。

据信,在大爆炸后的最早时刻,这三种基本力量是统一的,无法区分,在比今天大型强子对撞机所能达到的数量级更高的条件下。

人们希望,GUT将作为通往梦寐以求的万物统一理论(TOE)的垫脚石,而理论物理学家多年来一直在回避这一理论。

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