如何使用微波諧振腔探測暗物質(zhì)軸子

　　1977年，人們提出軸子這一類基本粒子是強電荷宇稱（CP）這一理論粒子物理學(xué)問題的解決方案。之后，人們發(fā)現(xiàn)該粒子其實可能是暗物質(zhì)的一個組成部分。目前許多實驗活動正在開展，都希望最終能探測到軸子。本篇博客中，我們將聚焦軸子暗物質(zhì)實驗（ADMX），該實驗嘗試通過微波諧振腔來達成這一目標。

　　探測難以捕捉的粒子

　　探測軸子似乎非常有挑戰(zhàn)性。人們認為該粒子類似于鬼粒子，它與普通物質(zhì)的相互作用非常微弱，且質(zhì)量非常低。不過，目前也有一些備受矚目的實驗希望能探測到這一難以捕捉的粒子。其中的一個實驗嘗試通過將包含光子的激光束置于一個9 特斯拉的磁場中，進而實現(xiàn)“將光穿過墻壁”。另一個實驗嘗試通過一種特殊的望遠鏡來努力找出太陽中產(chǎn)生的軸子。此外，還有一個實驗的目標是在微波諧振腔中探測一個假定存在的極小功率源。

　　設(shè)計軸子探測實驗中的挑戰(zhàn)

　　設(shè)計軸子探測實驗所面臨的主要挑戰(zhàn)包括：沒有人知道粒子的質(zhì)量，以及它與普通粒子間的耦合到底有多弱。事實上，所預(yù)測的質(zhì)量范圍跨越了多個數(shù)量級（從1 μeV 到1 eV）。出于理論和天體物理方面的考慮，目前認為該范圍之外質(zhì)量的可能性較小。此外，我們所稱的耦合常數(shù)，即確定多少軸子會與普通物質(zhì)相互作用，也是未知的。一些軸子實驗是基于這樣的預(yù)測前提，即置于強磁場中時，軸子和光子會相互轉(zhuǎn)換。所預(yù)測的較大質(zhì)量范圍隨即被解讀在一定頻率范圍中探測電磁輻射或光子。每個小組都希望能在某個可能的質(zhì)量和耦合常數(shù)范圍內(nèi)找到軸子，并據(jù)此構(gòu)建了實驗設(shè)備?；谒A(yù)測的軸子屬性，他們用到了完全不同的技術(shù)。

　　軸子暗物質(zhì)實驗（ADMX）

　　華盛頓大學(xué)的實驗物理和天體物理學(xué)中心開展了軸子暗物質(zhì)實驗（ADMX）。實驗中用到了一個置于大型超導(dǎo)磁體中的圓柱形微波諧振腔。如果軸子的質(zhì)量很小，就可以在微波諧振腔中以微波的形式被檢測到。實驗可以探測到1 μeV 至10 μeV 范圍的低質(zhì)量軸子。相對于重量為0.5 MeV 的電子，該質(zhì)量可謂非常小，或者說，電子的質(zhì)量為軸子的1 萬億倍。ADMX 需要能夠探測到非常微弱的功率峰值，這幾乎是實驗設(shè)備所無法滿足的一個要求。