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麻省理工学院物理学家模拟磁铁寻找暗物质粒子

时间:2018-05-15

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利用放大B场环装置进行宇宙轴向检测的宽带/共振方法)由缠绕成环形或环形的一系列磁性线圈组成,然后装入超导金属层并保持在温度刚好高于绝对零度。科学家们计划使用放置在甜甜圈孔内的高度敏感的磁力计来检测任何轴位影响的迹象。

来自麻省理工学院的物理学家提出了一个新的实验来检测称为轴的暗物质粒子。如果成功,这项工作可能会破解粒子物理学中最令人困惑的未解之谜之一,并最终产生暗物质的一瞥。 / em

轴是假想的基本粒子,被认为是宇宙中最轻的粒子之一 - 大约是质子大小的一个十分之一。这些超轻粒子实际上是看不见的,但如果它们存在的话,轴系和其他尚未观察到的粒子可能以暗物质的形式构成宇宙中80%的物质。

在一篇发表在“物理评论快报”上的在线论文中,麻省理工学院的团队提出了一个实验,通过模拟被称为磁星的极端天体物理现象来检测轴向 - 一种产生强大磁场的中子星。物理学家推论说,在存在轴子的情况下,这样一个巨大的磁场应该稍微摆动,产生第二个极小的磁场作为轴位本身的标记。

该小组由麻省理工学院副院长Jesse Thaler,麻省理工学院Pappalardo研究员Benjamin Safdi和Yonatan Kahn博士15岁(现在是普林斯顿大学博士后)的物理学副教授和研究员组成。他们一起设计了一个实验,利用从磁共振成像(MRI)中借鉴的技术,在受控的实验室环境中重建磁体的物理特性。

实验的核心是他们命名为ABRACADABRA(用放大B场环装置进行宇宙轴向检测的宽带/共振方法),它由一系列卷绕成环形的磁性线圈或圆环然后将其封装在超导金属层中,并保持在刚好高于绝对零度的温度下的冰箱中,以最小化外部噪声。科学家们计划使用放置在甜甜圈孔内的高度敏感的磁力计来检测任何轴位影响的迹象。

泰勒说:“轴是非常奇怪的,违反直觉的粒子。 “它们非常轻微,相互作用微弱,但这个粒子可能主宰宇宙的物质预算,质量比普通物质丰富5倍。所以我们真的必须认真思考这些粒子是否可以使用现有技术在原理上检测到。这是非常艰巨的。“

ABRACADABRA环形磁铁的草图。环绕在环形面上的恒定磁场可以与轴向暗物质相互作用,以产生通过中心的小振荡磁通量。在不存在轴位暗物质的情况下,此通量将为零。

一个“诱人”的粒子

如果它们被检测到,那么axions也可以解释粒子物理学中一个突出的困境,称为强CP(电荷平价)问题:自从20世纪70年代以来,科学家们越来越疑惑Safdi形容为“中子对电场的冷漠。 “中子是在物质中几乎每个原子的原子核中发现的基本粒子,它们不带净电荷。

“我们不希望中子在电场的作用下加速,因为它们不带电荷,但你可能期望它们旋转,”Safdi说。 “那是因为我们期望他们有一个电偶极矩,在那里你可以想到一个中子具有一个正电荷和一个负电荷。但从我们目前的理解来看,这种旋转效应不存在,而理论说它应该。“

科学家们假设这种奇怪的效应可以用轴位来解释,它会以某种方式消除中子的电偶极矩。如果是这样,这个轴将以一种可以通过实验检测到的方式修改电磁现象。

“这很有诱惑力,可能有一个粒子能够达到这个深层目的,如果我们要以暗物质的形式检测这些粒子的存在,更是如此,”Thaler说。

狩猎正在进行

目前,泰勒说,大多数华盛顿大学的研究人员正在进行Axion暗物质实验或ADMX的研究。该实验使用设置在大型超导磁体内的共振微波腔来检测轴向微波光子的非常微弱的转换。该实验被调整用于寻找质子质量约四分之一质量的特定范围内的轴。

泰勒和他的团队意识到,他们可以扩大这个范围,并且在实验室中通过重新创造磁控星的物理学,寻找更小,更轻的粒子,质量大约是质子质量的一个十分之一。

“强CP问题与中子的自旋是否对电效应产生反应有关,并且你可以将磁星想象成具有大磁场的巨大自旋,”Thaler解释道。 “如果轴出现并改变核物质的属性来解决强CP问题,也许轴相可以与这个磁星相互作用,并让你以新的方式看到它。所以应该放大轴位的细微影响。“

Safdi说,该团队的原型设计令人惊讶的小 - “关于你的手掌,”。作为理论物理学家的研究人员正在与麻省理工学院的实验人员合作建立原型,该原型的设计目的是产生大约1特斯拉的基线磁场,这与当前的MRI机器相当。如果存在轴位,那么这个磁场应该稍微摆动,在与轴位质量直接相关的频率上产生非常小的振荡。使用高精度磁力计,Thaler希望获得该频率并最终用它来确定轴的大小。

华盛顿大学物理学助理教授,一位未参与此项研究的ADMX研究员Gray Rybka说:“直到最近才有许多好的想法来寻找[低频率轴向]。 “这里提出的实验基于以前的想法,如果作者是正确的,可能是最实际的实验配置,可以探索一些似是而非的低频轴阵制度。”

“我们有一种对许多波长敏感的仪器,我们可以用一种特定波长的波长来使它发痒,而ABRACADABRA会产生共鸣,”Thaler说。 “我们将进入未知领域,我们可能会从这个原型中看到暗物质。这将是惊人的。”

这项研究部分得到了美国能源部和Alfred P. Sloan基金会的支持。

出版物:Yonatan Kahn等人,“Axion暗物质检测的宽带和共振方法”,Phys。 Rev. Lett。 117,141801,2016; DOI:10.1103 / PhysRevLett.117.141801

资料来源:麻省理工学院新闻社Jennifer Chu

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