韩国首次寻找DFSZ轴子暗物质

基础科学研究所(IBS)轴子与精密物理研究中心(CAPP)的韩国研究小组最近宣布了最先进的轴子搜索实验装置。该小组已经成功地迈出了寻找Dine-Fischler-Srednicki-Zhitnitsky(DFSZ)轴子暗物质的第一步，该暗物质起源于大统一理论(GUT)。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“死”的概念在历史上一直是一个反复出现的观点。在19世纪后期，威廉·汤普森(William Thompson)，也被称为开尔文勋爵(Lord Kelvin)，错误地认为1900年之后物理学不会有新的发现。同样，有些人认为在1930年代发现中子后没有发现新的粒子。即使在今天，仍有人担心现代理论物理学已陷入死胡同。

然而，这远非事实。我们目前的物理学知识极限，标准模型，只能解释宇宙的5%，另外95%由暗物质和暗能量组成。

当前的标准模型在解释诸如强CP(电荷共轭奇偶性)问题等问题方面也存在局限性。问题源于观察到，由量子色动力学(QCD)描述的强力似乎没有违反CP对称性，而电弱力在很小程度上违反了CP对称性。这与标准模型相矛盾，标准模型预测CP对称性应该被强力破坏，其水平比观察到的要大得多。

该问题的一个拟议解决方案涉及称为轴子的假设粒子的存在，它可以解决强力中CP违反的预测水平和观察到的水平之间的差异。轴子是暗物质最强的候选者之一。轴子暗物质的发现无疑将是人类历史上具有里程碑意义的事件。

目前，存在两种不同的“超越标准模型”的建议来解释强CP问题。这两个模型之间的主要区别在于它们预测轴子和其他粒子之间不同类型的耦合。在Kim-Shifman-Vainshtein-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项棘手的工作。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)转换为共振电磁波，然后使用接收器进行检测。然后可以根据检测到的波的频率计算轴子的质量。

由于轴子质量未知，物理学家必须扩大搜索范围并扫描大范围的频率。

在寻找DFSZ轴子的情况下，这个问题会加剧，这需要比KSVZ轴子高得多的灵敏度。在微波腔搜索实验中，实现更高的灵敏度需要指数级增长的搜索时间，因此几乎所有现有的实验设置都无法搜索DFSZ轴子。

因此，虽然一些轴子搜索实验已经成功地搜索了KSVZ轴子灵敏度范围内的信号，但到目前为止，唯一能够达到搜索DFSZ轴子所需的灵敏度的实验是由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灵敏度的轴子的群体。

IBS-CAPP小组使用12T磁铁，比ADMX使用的8T磁铁更强大。为了尽量减少背景噪音，实验设置保持在接近绝对零度的温度。

除了使用更强大的磁铁外，IBS-CAPP实验还使用了量子技术和更有效的计算方法来管理数据。这使得IBS-CAPP能够以ADMX设置的3.5倍速率搜索DFSZ轴子。

IBS-CAPP 的最新出版物详细介绍了他们在 1 年 18 月 2022 日至 4 月 55 日期间用于 DFSZ 轴子搜索的新设置的演示。因此，该小组能够在DFSZ灵敏度下排除约<>.<>μeV的轴子暗物质。研究结果发表在《物理评论快报》杂志上。

“轴子的发现将使我们能够了解高达32%的宇宙质量能量，高于当前标准模型提供的5%，”IBS-CAPP的研究员KO Byeong Rok说。他补充说：“我们计划利用我们实验设置的极快速度，在1至2 GHz的宽频率范围内快速搜索DFSZ轴子。

希望轴子的发现将支持大统一理论(GUT)，该理论将三种基本力 - 强，弱和电磁力结合在一起。人们相信，这三种基本力在大爆炸后的最早时刻是统一的，无法区分，在比今天大型强子对撞机所能达到的条件下高出几个数量级。希望GUT将成为这些年来理论物理学家梦寐以求的万物理论(TOE)的垫脚石。

IBS-CAPP主任Yannis SEMERTZIDIS 说：“我们非常感谢基础科学研究所和韩国纳税人为这个项目提供的所有资金和支持。多亏了他们，韩国现在才拥有世界上最先进的轴子搜索实验设施。如果轴子存在，我毫不怀疑它会在韩国找到。