暗物质实验没有发现轴子存在的证据

暗物质实验没有发现轴子存在的证据

在它的第一次运行中，ABRACADABRA没有探测到假设的暗物质粒子在特定质量范围内的信号

麻省理工学院(MIT)和其他地方的物理学家进行了一项新实验的第一次运行，该实验旨在探测轴子。轴子是一种假想的粒子，预计是宇宙中最轻的粒子之一。如果它们存在，轴子实际上是看不见的，但却无法逃脱;它们以暗物质的形式占据了宇宙质量的85%。

轴子是特别不寻常的，因为它们被期望在一分钟的水平上改变电和磁的规则。今天发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的一篇论文中，麻省理工学院领导的研究小组报告称，在观测的第一个月里，该实验在0.31至8.3纳米电子伏特的质量范围内没有发现轴子的迹象。这意味着在这个质量范围内的轴子，相当于质子质量的1 / 15次方分之一，要么不存在，要么对电磁的影响比之前认为的更小。这是第一次有人直接研究这个轴子空间.

虽然轴子被认为无处不在，但据预测，它们实际上就像幽灵一样，与宇宙中的任何其他东西只有微小的互动。作为暗物质，它们不应该影响你的日常生活，但人们认为它们会在宇宙学层面上影响事物，比如宇宙的膨胀和我们在夜空中看到的星系的形成。由于轴子与电磁学的相互作用，理论上认为，它们在磁星(一种能产生巨大磁场的中子星)周围有着令人惊讶的行为。如果轴子存在，它们可以利用磁星的磁场将自身转化为无线电波，而无线电波可以通过地球上的专用望远镜探测到。

2016年，麻省理工学院的三位理论家受磁星的启发，设计了一项探测轴子的思维实验。研究小组提出了一种设计方案，将一个小甜甜圈形状的磁铁放在冰箱里，温度略高于绝对零度。没有轴子，甜甜圈的中心就不会有磁场。然而，如果轴子存在，探测器应该“看到”甜甜圈中间的磁场.在小组公布了他们的理论设计之后，身为实验主义者的温斯洛开始寻找实际构建实验的方法。温斯洛说:“我们想要寻找一个轴突的信号，如果我们看到它，它确实是轴突。”这就是这个实验的优雅之处。从技术上讲，如果你看到这个磁场，它只可能是轴子，因为他们想到了特殊的几何结构。”

这是一个具有挑战性的实验，因为预期的信号小于20阿托-特斯拉。作为参考，地球磁场为30微特斯拉，人类脑电波为1皮特斯拉。在建立这个实验的过程中，温斯洛和她的同事们必须应对两个主要的设计挑战，第一个挑战涉及到用来将整个实验保持在超低温下的冰箱。这台冰箱包括一个机械泵系统，其活动可以产生非常轻微的振动，温斯洛担心这会掩盖轴离子信号。

第二个挑战与环境中的噪音有关，比如附近电台的噪音，整栋楼的电子设备的开关，甚至电脑和电子设备上的LED灯，所有这些都会产生相互竞争的磁场。

研究小组用一根像牙线一样细的线把整个装置挂起来，解决了第一个问题。第二种方法是在实验室外采用冷超导屏蔽和热屏蔽相结合的方法。“然后我们终于可以收集数据，在一个甜蜜的区域，我们可以在高于冰箱震动的地方，在低于可能来自邻居的环境噪音的地方，我们可以在那里做实验。”

研究人员首先进行了一系列测试，以确认该实验是有效的，并能准确地显示磁场。最重要的测试是注入磁场来模拟一个假轴突，并观察实验的探测器是否产生了预期的信号——这表明如果一个真实的轴突与实验相互作用，就会被检测到。此时，实验已经准备就绪。温斯洛说:“如果你把数据通过音频程序播放，你就能听到冰箱发出的声音。”他说:“我们还看到隔壁有人在不停地发出其他声音，然后这些声音就消失了。当我们观察这个最佳位置时，它结合在一起，我们就理解了探测器的工作原理，它变得足够安静，可以听到轴子的声音。”

2018年，该团队进行了ABRACADABRA的第一次运行，在7月至8月之间连续采样。在分析了这一时期的数据后，他们没有发现任何轴子的质量范围在0.31到8.3纳米电子伏特之间的证据，这些电子伏特能改变100亿分之一以上的电和磁。这个实验的目的是检测更小质量的轴子，小到大约1飞电子伏，大到1微电子伏。

该团队将继续进行目前的实验，这是一个篮球大小，以寻找更小和更弱的轴子。与此同时，温斯洛正在研究如何将实验规模扩大到小型车的大小——这种尺寸可以检测出更弱的轴子。温斯洛说:“在实验的下一个阶段，确实有可能有重大发现。”“激励我们的是看到改变这个领域的东西的可能性。这是高风险、高回报的物理学。”