CCM90 用于 ALP-光子耦合的预期和实际 120% C.L.s g阿γ.还包括CCM200三年运行的投影区域，使用从CCM120光谱中获取的背景，对于各种保守改进（绿色虚线）和无背景假设（绿色阴影区域的范围），背景减少了两个数量级。KSVZ 基准方案的 QCD 轴子模型参数空间跨越箭头指示的区域。来源：物理评论 D （2023）。DOI： 10.1103/PhysRevD.107.095036

自从近半个世纪前理论首次预测轴子以来，研究人员一直在寻找这种难以捉摸的粒子的证据，这种粒子可能存在于可见宇宙之外的黑暗区域。但是如何找到看不见的粒子呢？

洛斯阿拉莫斯相干公司CAPTAIN-Mills实验的第一个物理学结果表明，基于加速器的液氩实验最初旨在寻找类似的假设粒子，如无菌中微子，也可能是寻找隐形轴子的理想设置。

“暗扇形粒子的确认将对理解粒子物理学的标准模型以及宇宙的起源和演化产生深远的影响，”物理学家Richard Van de Water说。“物理学界的一大重点是探索检测和确认这些粒子的方法。相干公司CAPTAIN-Mills实验将轴子等暗物质粒子的现有预测与能够产生这种难以发现的暗物质的高强度粒子加速器相结合。

揭开暗室的神秘面纱

物理学理论认为，宇宙中只有5%是由可见物质组成的，这些原子形成了我们可以看到、触摸和感觉到的东西，其余95%是物质和能量的组合，被称为暗区。轴子、无菌中微子和其他可以解释和解释全部或部分缺失的能量密度。

轴子的存在也可以解决标准模型中长期存在的问题，该模型概述了亚原子世界的已知行为。有时被称为宇宙的“化石”，推测起源于大爆炸后一秒，轴子也可以告诉我们很多关于宇宙创始时刻的信息。

相干公司CAPTAIN-Mills实验是2019年获得能源部暗部门研究资金的几个项目之一，以及洛斯阿拉莫斯实验室指导研发计划的大量资金。一个名为CCM120的原型探测器是在2019年洛斯阿拉莫斯中子科学中心（LANSCE）光束周期期间建造和运行的。物理评论D出版物描述了CCM120初始工程运行的结果。

“基于CAPTAIN-Mills研究的第一次运行，该实验已经证明了执行轴子搜索的能力，”Bill Louis说，他也是Los Alamos项目的物理学家。“我们意识到，LANSCE的质子束和液体氩探测器设计提供的能量状态为轴子状粒子研究提供了一个未探索的范式。

实验设计

相干公司CAPTAIN-Mills实验位于LANSCE附近的卢扬中心，是一个10吨重的过冷液体氩气探测器。（CAPTAIN 代表 用于精确测试氩气与中微子反应的低温设备。

LANSCE加速器产生的高强度800兆电子伏特质子击中卢扬中心的钨目标，然后穿过广泛的钢和混凝土屏蔽层23米到达探测器，在液态氩气中相互作用。

原型探测器的内壁衬有120个八英寸的敏感光电倍增管（因此CCM120绰号），用于检测光闪光 - 单光子 - 当常规或暗扇形粒子推挤液态氩罐中的原子时产生。

内壁上的特殊材料涂层将氩光发射转换为可见光，可以通过光电倍增管检测到。探测器和光束的快速定时有助于消除背景粒子（如光束中子、宇宙射线和伽马射线）对放射性衰变的影响。

拼图的碎片

轴子非常有趣，因为它们“动机高”;也就是说，它们的存在强烈地暗示在标准模型之外的理论中。经过70多年的发展，标准模型解释了四种已知基本力中的三种 - 电磁力，弱核力和强核力 - 控制原子的行为，物质的组成部分。（第四种力，引力，由爱因斯坦相对论解释。但该模型不一定完整。

标准模型物理学中一个未解决的问题被称为“强CP问题”，“CP”意味着电荷奇偶对称性。从本质上讲，粒子和它们的反粒子对应物受到物理定律类似的作用。然而，标准模型物理学中没有任何内容要求这种行为，因此物理学家至少应该看到偶尔违反这种对称性的情况。

在弱力相互作用中，确实会发生电荷奇偶校验对称性违规。但在强力互动中没有观察到类似的违规行为。令人费解的是，理论上可能的行为缺失代表了标准模型理论的一个问题。是什么防止在强力相互作用中发生电荷奇偶对称性的违反？

丰富的，几乎失重的和电中性的轴子可能是拼图的重要组成部分。轴子在1978年获得了它的绰号，由物理学家弗兰克·威尔切克（Frank Wilczek）在一个洗衣粉品牌之后创造，因为这种颗粒可以“清理”强CP问题。物理学家推测，它们是保持电荷奇偶对称性的暗物质力的组成部分，并且它们可能与光子和电子耦合或相互作用。

后续步骤

如果轴子确实存在，找到它们可能是设计正确的实验设置的问题。

“由于我们的CCM120探测器的首次运行，我们对与光子和电子耦合的轴子样粒子在液氩中移动时与它们相关的特征有了更好的理解，”路易斯说。“这些数据为我们提供了洞察力，可以将探测器升级为更灵敏一个数量级。

更多信息： A. Aguilar-Arevalo 等人，在相干公司 CAPTAIN-Mills 实验中检测轴子状粒子的前景，物理评论 D （2023）。DOI： 10.1103/PhysRevD.107.095036

期刊信息：物理评论D