CAPP-8TB检波器首次获得高灵敏度暗物质轴力狩猎结果

下水平轴是轴质量，上水平轴是与质量相对应的微波频率，垂直轴是轴到光子转换的耦合常数。两个轴均以对数标度表示。CAPP-8TB表示该研究报告的质量范围。CAST表示2017年发布的CERN（瑞士）的实验结果，RBF是布鲁克海文国家实验室（BNL）与罗彻斯特大学（BNL）以及费米国家加速器实验室（美国）于1989年合作的结果。UF是1990年美国佛罗里达大学发布的结果，ADMX是1998年至2018年在华盛顿大学（美国）扫描的范围。HAYSTAC是2017年至2018年在美国耶鲁大学扫描的结果。ORGAN和QUAX-a分别γ是西澳大利亚大学（澳大利亚）和INFN（意大利）在2017年和2019年的结果。KSVZ和DFSZ是可以解决强CP问题的两个模型。

基础科学研究所（韩国，IBS）内的轴与精确物理研究中心（CAPP）的研究人员报告了他们寻找轴的最初结果。难以捉摸的超轻粒子，可能构成神秘的暗物质。IBS-CAPP位于韩国高等科学技术学院（KAIST）。该分析发表在《物理评论快报》上，将过去三个月中收集的数据与过去两年中开发的新型斧头猎取设备相结合。

在底部，超导磁体的孔（图中未显示）围绕谐振腔，并悬挂在最低温度级上。在每个温度阶段都放置了各种电子元件，其他电子元件则位于冰箱的外部。

证明轴力的存在可以立即解决现代物理学中的两个最大谜团：为什么在星系团中运行的星系移动得比预期的快得多，以及为什么自然界的两个基本力遵循不同的对称规则。第一个难题是在1930年代提出的，并在70年代得到了证实，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经历的强烈引力。第二个谜题被称为强CP问题，在2019年被《福布斯》杂志誉为“所有物理学中最被低估的难题”。

对称性是粒子物理学的重要元素，CP指的是电荷+奇偶性对称性，如果粒子与其镜像（P）中的对应反粒子（C）互换，则物理定律是相同的。对于负责将原子核保持在一起的强大力量，理论上允许CP违反，但即使在最敏感的实验中也从未被发现。相反，理论力和实验力都弱于CP对称性，这是某些类型的放射性衰变的基础。1977年，理论物理学家Roberto Peccei和Helen Quinn提出了Peccei-Quinn对称性作为该问题的理论解决方案，物理学的两位诺贝尔奖获得者Frank Frank和我们的史蒂芬·温伯格（Frank Wilczek and Steven Weinberg）表明，Peccei-Quinn对称性产生了一个新粒子：斧头。该颗粒以美国洗涤剂命名，因为它可以清除强烈的相互作用。

目前，据估计宇宙中85％的物质是黑暗的，这是无法察觉的。暗物质提供了足够的质量来阻止我们的太阳离开银河系，但是在正常情况下它是不可见的。换句话说，预计轴将在宇宙中大量存在，但几乎不会与我们熟悉的粒子发生相互作用。

根据预测和费米的黄金法则，轴被自发地转换为两个可检测的粒子（光子），速率极低，并且在已经存在一个光子的环境中，转换速度更快。在实验中，这种作用是由强磁场发挥的，强磁场提供（几乎）所有能级的光子，从而极大地加快了这一过程。

为了促进轴到光子的转换，IBS研究人员使用了他们定制的CAPP-8TB检眼镜。该仪器具有圆柱形超导磁体，该磁体具有165毫米的通孔和8特斯拉的中心磁场。轴突产生的光子的信号在谐振腔中被放大。如果选择正确的频率，光子将在腔中共振，并带有一点闪光来标记它们的存在。该团队需要每秒检测约100个微波光子，才能做出自信的声明。

左图为研究工程研究员，本研究的第一作者Soohyung Lee；终身轨研究研究员高炳六（ByeongRok Ko），通讯作者； Saebyeok Ahn博士韩国科学技术高等学校的候选人；崔智勋，前研究员（现为韩国天文学与空间科学研究所高级研究员）。整个团队有五名成员，其中包括中心主任Yannis K. Semertzidis。中间显示了用于实验的低温稀释冰箱。

“这个实验不是100米的冲刺，而是马拉松比赛的第一个目标。我们边做边学，并测试了将来将在更高级别的系统中使用的新概念。”中心主任兼KAIST教授Yannis K. Semertzidis解释说。

在此实验运行中，研究小组搜索了质量介于6.62和6.82 eV之间的μ轴，这些轴对应于1.6和1.65 GHz之间的频率，该范围是由量子色动力学选择的。研究人员通过实验显示，置信度为90％，这是迄今为止质量范围内最敏感的结果，在该范围内没有轴突暗物质或轴突状颗粒。这样，CAPP-8TB取代了其他正在寻找各种可能质量的寻轴实验。此外，这是根据两个最著名的轴论理论模型（KSVZ模型和DFSZ模型）在该质量范围内达到接近灵敏度所需的唯一实验。这些字母是指提出它们的科学家的缩写。

“我们证明，在该频率范围内，我们可以比所有其他实验获得更高的灵敏度，并且我们已经准备好使用更大的系统来扩大我们的研究范围。我们的目标是在未来十年内成为行业的佼佼者！这就是为什么它如此令人兴奋的原因！”吸引研究工程的研究员Soohyung Lee，该研究的第一作者。

质量范围由空腔的直径确定。较大的直径可以搜索较低的质量区域，反之亦然。由于CAPP-8TB的谐振腔位于超导磁体的透明孔内，因此IBS研究人员设计了一个可调铜圆柱腔作为具有最大可用体积的谐振器。

除了腔之外，CAPP-8TB检波镜还具有许多尖端技术，包括达到-273摄氏度的低温稀释冰箱（仅比绝对零值高出约50 mK），具有强磁场，低噪声的超导磁体。微波电子设备和最先进的放大器。

该中心的计划是寻找能够在1-10 GHz频率下调谐后视镜的轴，然后在10-25 GHz频率下使用功率更大，功率更大的磁体来调谐其，以实现其所有发明。寻找轴心的过程持续不断。

参考：S. Lee，S. Ahn，J. Choi，B.R.撰写μ的“ 6.7eV附近的轴心暗物质搜索” Ko和Y.K. Semertzidis，2020年3月13日，《物理评论快报
》。10.1103 / PhysRevLett.124.101802