基础科学研究所 图1
迄今为止通过各种实验进行轴子搜索的状况
下横轴为轴子质量，上横轴为质量对应的微波频率，纵轴为轴子到光子转换的耦合常数
两个轴都是对数刻度
CAPP-8TB表明了本研究中报告的质量范围
CAST表示欧洲粒子物理研究所(CERN)于2017年发布的实验结果，而RBF是布鲁克海文国家实验室(BNL)与BNL罗彻斯特大学和费米国家加速器实验室(美国)合作于1989年发布的结果
UF是美国佛罗里达大学1990年公布的结果，ADMX是美国华盛顿大学从1998年到2018年的扫描范围
HAYSTAC是耶鲁大学(美国)从2017年到2018年的扫描结果
风琴和QUAX-aγ分别是西澳大利亚大学和INFN大学在2017年和2019年的研究结果
KSVZ和DFSZ是两种可以解决强CP问题的模型
学分:基础科学研究所 韩国基础科学研究所(IBS)的轴子和精密物理研究中心(CAPP)的研究人员报告了他们对轴子的首次搜索结果，轴子是一种难以捉摸的超轻质粒子，被认为是暗物质的候选粒子
综合实验室位于韩国高级科学技术研究所
发表在《物理评论快报》上的这项分析结合了三个月的数据和过去两年开发的一种新的轴子搜寻仪器
证明轴子的存在可以一下子解决现代物理学中两个最大的谜团:为什么在星系团中运行的星系比预期的移动得快得多，为什么两种基本的自然力遵循不同的对称规则
第一个难题是在20世纪30年代提出的，并在20世纪70年代得到证实，当时天文学家注意到观测到的银河系质量无法解释星系中恒星受到的强大引力
第二个谜，被称为强CP问题，在2019年被福布斯杂志称为“所有物理学中最被低估的谜”
对称性是粒子物理的一个重要元素，CP指的是电荷+宇称对称性，如果粒子与其镜像(P)中对应的反粒子(C)互换，则物理定律相同
在强大的力的情况下，这是负责保持原子核在一起，违反阴极保护理论上是允许的，但从未被发现，即使在最敏感的实验
另一方面，在理论上和实验上弱力都破坏了CP对称性，这是某些类型放射性衰变的基础
1977年，理论物理学家罗伯特·佩克西和海伦·奎因提出了佩克西-奎因对称性作为这个问题的理论解决方案，两位诺贝尔物理学奖得主弗兰克·维尔泽克和史蒂芬·温伯格证明了佩克西-奎因对称性产生了一个新的粒子:轴子
这种颗粒是以一种美国清洁剂命名的，因为它可以清除强烈的相互作用
目前，据估计，宇宙中85%的物质由暗物质组成，这是难以察觉的
暗物质提供了足够的质量来阻止太阳离开银河系，但在普通情况下是看不见的
换句话说，轴子预计会在宇宙中大量存在，但很少与我们熟悉的粒子相互作用
根据预言和费米黄金法则，一个轴子以极低的速率自发地转变成两个可探测的粒子(光子)，在一个光子已经存在的环境中，这种转变会更快
在实验中，强磁场扮演了这个角色，它提供了所有能级的光子(实际上)，极大地加速了这个过程
为了促进轴子到光子的转换，IBS的研究人员使用了他们定制的CAPP-8TB卤素灯
该仪器有一个圆柱形超导磁体，内径为165毫米，中心磁场为8特斯拉
轴子产生的光子信号在谐振腔中被放大
如果选择正确的频率，光子会在空腔中产生共振，并用一点闪光来标记它们的存在
该团队需要每秒检测大约100个微波光子才能做出自信的声明
图2
CAPP-8TB实验系统
在底部，超导磁体的孔(图中未显示)围绕着共振腔，悬挂在最低温度的平台上
各种电子元件被放置在每个温度阶段，并且另外的电子元件位于冰箱外部
学分:基础科学研究所 “这个实验不是100米短跑，而是马拉松跑的第一个目标
我们从实践中学习，我们测试了未来在更高层次系统中使用的新概念，”扬尼斯解释道
塞梅兹迪斯，该中心的主任，同时也是凯思特的教授
在这次实验中，研究小组搜索了质量在6
62和6
82 μeV，对应于1
6和1
65千兆赫，一个由量子色动力学选择的范围
研究人员以90%的置信水平(迄今为止质量范围内最敏感的结果)实验性地表明，在这个范围内没有轴子暗物质或轴子样粒子
这样，CAPP-8TB在其他寻找轴子的实验中占据了一席之地，这些实验正在寻找各种可能的质量
此外，根据关于轴子的两个最著名的理论模型:KSVZ模型和DFSZ模型，这是在该质量范围内达到所需灵敏度附近的唯一实验
这些字母是缩写，指的是提出它们的科学家
“我们证明，在这个频率范围内，我们可以达到比所有其他实验更高的灵敏度，而且我们已经准备好用更大的系统扩大我们的研究规模
我们的目标是在未来10年内处于我们领域的顶端
这就是它如此令人兴奋的原因，”该项研究的第一作者、工程研究员苏亨·李说
质量范围由空腔的直径决定
较大的直径可以搜索质量较低的区域，反之亦然
由于CAPP-8TB的谐振腔位于超导磁体的透明孔内，IBS研究人员设计了一个可调谐的铜圆柱形谐振腔，作为最大可用体积的谐振器。
除了腔体之外，CAPP-8TB卤素灯还拥有许多尖端技术，包括高达-273摄氏度(仅比绝对零度高约50 mK)的低温稀释冰箱、具有强磁场的超导磁体、低噪声微波电子器件和最先进的放大器
该计划是寻找轴子来调整1到10千兆赫的频率，然后使用更强大的大体积磁铁来调整10到25千兆赫的频率，实现他们所有的发明
对轴子的研究一直在持续
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