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理论物理所等在宇宙学和暗物质前沿交叉研究中

2019-10-05 13:09
暗物质轴子探测:认识宇宙的新窗口

寻找暗物质粒子研究升温 旨在揭开物理学最大谜团之一

今年3月,探测宇宙早期中性氢的21cm超精细电磁辐射的EDGES实验组宣布探测到了宇宙第一代恒星开始形成时的黎明时代(Cosmic Dawn,对应宇宙红移约17)相应的21cm 宇宙微波背景辐射吸收谱信号。这是人类历史上首次探测到来自宇宙黎明时代的信号,意义重大。但令人感到困惑的是,实验探测到的吸收信号幅度比标准宇宙学理论预测的可能最大幅度还大。迄今为止,标准宇宙学模型取得了巨大的成功,该理论框架相当准确地解释了宇宙的各种结构和性质。因此EDGES观测到的反常信号或许暗示着即将开启一个后ΛCDM宇宙学时代,并且可能为解开暗物质之谜提供一个新途径。这个发现暗示了宇宙黎明时代中性氢气体的温度比标准宇宙学理论预期的更冷(或光子背景温度比预期的更热)。一般来说,提高中性氢气体的温度比较容易,但降低很难,因为降低中性氢气体的温度需要温度更低的暗物质来冷却,这对各种暗物质模型带来了巨大的挑战。目前大多数暗物质模型难以自然地解释EDGES的结果,因为必须同时满足目前粒子物理、天体物理、宇宙学及暗物质探测实验的大量限制。

■高宇 李闯 李田军

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EDGES宣布的结果引发了大量跟踪研究。近期,中国科学院理论物理研究所研究员李田军及其合作者提出利用一种暗物质候选粒子——轴子来自然地解释这种反常的冷却效应。相关研究成果已发表于 《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett. 121, 111301 。

近日,美国麻省理工学院物理学家完成了一项名为ABRACADABRA(魔术师用语:见证奇迹的时刻,简称为ABRA)的轴子搜寻技术的先期测试。这项实验的目的是希望能探测到轴子型暗物质粒子。

图片来源:Mark Stone

轴子最初是为了解释Strong CP问题(即为什么在强相互作用中CP守恒)而引入的,是超出标准模型的新粒子。在包含轴子的标准模型扩展中,引入了额外的整体UPQ对称性,该对称性在Peccei-Quinn能标(远高于QCD手征对称性破缺能标)自发破缺,Goldstone 理论告诉我们该模型包含一个无质量的赝标Goldstone玻色场,即轴子场。由于QCD瞬子效应(Instanton Effect)破坏整体UPQ对称性,故此轴子场在QCD手征对称性破缺能标之下获得很小的质量。另外,源于超弦理论中二形式反对称张量场的四维紧致化,在弦论中也不可避免的存在类似属性的粒子,这类粒子一般称为类轴子。

实验首席研究员、麻省理工学院物理学教授Lindley Winslow说:“这是第一次有人直接探测这个质量范围的轴子……作为暗物质,轴子可能不会影响你的日常生活,但它们会影响宇宙的膨胀和我们在夜空中看到的星系的形成。”

本报讯 对一种被称为轴子的微小粒子的探寻如今正在如火如荼地进行。这种粒子可能构成了暗物质,而正是后者的引力阻止了星系的分崩离析。

轴子和类轴子(Axion-Like Particles)属于WISPs (Weakly Interaction Sub-eV Particles),是一种理想的暗物质粒子候选者。轴子暗物质在早期宇宙演化的适当时期可通过引力相互作用在Condensed Regime形成玻色-爱因斯坦凝聚(Axion BEC),该凝聚态的量子特性使得中性氢气体与Axion的引力耦合得以加强。在此工作中,李田军及其合作者正是利用了暗物质轴子的玻色-爱因斯坦凝聚,在黎明时代前冷却中性气体氢,在此过程中,轴子凝聚形成的大尺度关联放大了这种冷却效应,因此,中性气体氢能够以一种简单合理的方式被冷却,最终自然地解释了EDGES观测到的反常信号。

ABRA实验现有的探测灵敏度弱于欧洲核子中心已有的太阳轴子望远镜,下一阶段的实验灵敏度预计也远远达不到QCD轴子理论预言的耦合强度。

物理学家在4月9日出版的《物理评论快报》上报告称,美国西雅图市华盛顿大学的轴子暗物质实验终于达到了探测轴子所需的灵敏度,前提是如果它们真的构成了暗物质。

近年来,轴子成为暗物质实验探测的一个重要方向,粒子物理、天体物理与宇宙学的交叉研究也越来越受关注。轴子是暗物质非常有希望的候选者,并且探测Axion实验的花费也相对较便宜,使得人们提出了各种寻找轴子的实验方案,有的已初步进行了实验并得到重要的物理结果,例如CERN的太阳轴子望远镜CAST实验和华盛顿大学的ADMX等。有的正在计划当中,例如由CAST升级的下一代IAXO实验,另外还有欧洲空间局的EUCLID宇宙大尺度巡天望远镜等。这些实验都非常有希望检验轴子暗物质理论的参数空间。该工作预言的轴子质量范围是10-450meV和100-450meV,正好处于下一代轴子探测实验IAXO及EUCLID的灵敏度范围内,故能被将来的实验检验。

Winslow称,他们将继续运行实验,以达到更高的灵敏度,与此同时,他们也计划扩大实验规模,希望可以探测到质量更轻的轴子。

然而,研究人员并不知道轴子的重量到底有多少,并且他们可能需要数年时间才能够扫描完可能的质量范围。

该工作由理论物理所李田军、博士后Nick Houston,暨南大学物理系副教授杨峤立,理论物理所博士李闯,中科院国家天文台研究生张欣合作完成。此研究是粒子物理学、宇宙学与天体物理领域交叉合作的研究成果。

轴子是一种超出标准模型预言的赝标量基本粒子。最早由Peccei、Quinn、Weinberg、Wilczek等人提出,并由Wilczek命名。轴子源自于高能标的对称性破缺,可以解决量子色动力学的疑难问题和中子电偶极矩的精细调节问题。

轴子是一种假设的粒子,它于41年前被科学家提出,用来解决强核力理论中的一个问题。强核力将被称为夸克的粒子结合在一起,从而形成了质子和中子。

论文链接

国际上的其他主流轴子探测大多聚焦于微电子伏特,如由Sikivie等人提出,现位于华盛顿大学的高精度微波共振腔实验ADMX。

然而,轴子可能具备双重功能,即同时还可供暗物质使用——宇宙论研究显示,暗物质占所有物质的85%。

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麻省理工学院理论物理学家们提出了ABRA实验方案,用于探测更低质量的纳电子伏的轴子。2018年,麻省理工学院的物理学家温斯洛团队进行了这个实验的首次试运行,在当年7月至8月期间不断取样。

到目前为止,暗物质仅仅通过它的引力揭示其自身,所以物理学研究的最大谜团之一就是构成暗物质的粒子到底是什么。

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粒子物理的标准模型是人类认识自然的伟大胜利,但是,众多迹象表明这一标准模型并不完整。除无法解释暗物质、暗能量等天文学和宇宙学上的发现之外,标准模型自身也有一些问题。

如果暗物质由漂浮在周围的轴子组成,那么从理论上说,物理学家应该能够用一个足够强大的磁场以及一部非常灵敏的无线电发射器探测到它们。

图:满足EDGES实验结果的轴子的参数空间范围:(上图是Axion-Like Particles对应的参数空间,下图是QCD Axion对应的参数空间,及其实验限制和 IAXO 的检验)。

物理学的发展历史表明,理论自身的需要是通向新物理的必由之路。轴子起源于标准模型中量子色动力学解释自身理论疑难的需求,同时又可以对宇宙中的暗物质加以合理解释。因此,轴子的提出既是理论自身的需要,同时又可以解释暗物质的观测结果。故轴子在物质的基本相互作用和宇宙起源与演化两大科学问题方向上都具有重大意义。

磁场会把轴子转换成光子,并且轴子的重量非常轻,因此这些光子的无线电频率将会非常低,而且应该在一个独特的频率上提供超微弱的无线电波。

更有趣的是,类似轴子的粒子广泛存在于高时空维度的理论中,如超弦理论。因此,轴子也是打开普朗克能标物理的一个窗口。但是,轴子的理论质量范围非常广阔,最轻的模型可以小到Witten等人提出的zepto电子伏特(纳电子伏特的万亿分之一),而量子色动力学模型则倾向于微电子伏特。

在物理学家的这项新研究成果中,ADMX的研究人员在2.66微电子伏特到2.82MeV(大约是电子质量的20百万兆分之一)的范围内排除了轴子存在的可能性。

目前科学家们尚不能确定轴子的具体质量,由于它们与普通物质的耦合非常弱,这给实验探测带来了挑战。然而一旦能够在实验上验证轴子或类轴子的存在,则会让我们的基础理论向着物理学终极问题前进一大步。

物理学家认为,如果暗物质仅仅是由轴子组成的,那么这种粒子的质量必须在1MeV和100MeV之间。因此,ADMX的研究人员现在将把他们精心设计的无线电天线的频率尽可能地向上提升——调至大约40MeV。

引力波的发现为人类打开了认识宇宙的全新窗口,暗物质轴子的探测是否能够打开另一扇窗?我们拭目以待!

轴子是粒子物理与天体粒子物理和凝聚态物理预言“存在”的一种亚原子粒子,是正负电子对撞后的一种“次级”粒子,是在玻色子能级的“衍射 辐射”能量丢失“逃逸”的极化新粒子。轴子粒子以一种能量轴线延“一维度时间空间”做线性跃迁角动量运动。

(作者单位:中国科学院高能物理研究所、中国科学院理论物理研究所)

暗物质是理论上提出的可能存在于宇宙中的一种不可见的物质,它可能是宇宙物质的主要组成部分,但又不属于构成可见天体的任何一种目前已知的物质。

《中国科学报》 (2019-05-07 第8版 探索发现)

大量天文学观测中发现的疑似违反牛顿万有引力的现象可以在假设暗物质存在的前提下得到很好的解释。现代天文学通过天体的运动、引力透镜效应、宇宙的大尺度结构的形成、微波背景辐射等观测结果表明暗物质可能大量存在于星系、星团及宇宙中,其质量远大于宇宙中全部可见天体的质量总和。结合宇宙中微波背景辐射各向异性观测和标准宇宙学模型可确定宇宙中暗物质占全部物质总质量的85%。

《中国科学报》 (2018-04-11 第2版 国际)

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