IBS研究团队启动全球第二个DFSZ轴子探测实验
由国内研究团队开发出一套目前寻找被认为是暗物质候选者“轴子（Axion）”的最精密实验装置。
基础科学研究院（IBS）20日表示，隶属于“轴子及极限相互作用研究团”的团长 Yannis Semertzidis 研究团队，继美国华盛顿大学之后，已在全球第二个基于“大统一理论”的轴子暗物质探测实验正式启动。
作为现代物理学精髓的标准模型（Standard Model）认为，构成宇宙的基本粒子以及引力、电磁力（将带电原子核与电子结合成原子的力）、强力（将原子核内质子和中子束缚在一起的力）、弱力（参与核衰变和核聚变的力）等共四种力同时存在并相互作用。标准模型已被科学家通过实验加以验证。但标准模型所能解释的物质仅占整个宇宙的约5%。被推测占宇宙26.8%的暗物质的存在，标准模型无法解释。
为克服标准模型的局限性，物理学家提出了多种理论，并为此持续开展实验验证工作。在这一过程中出现的理论之一就是“大统一理论（GUT，Grand Unified Theory）”。该理论假设，原本宇宙中的力只有一种，在大爆炸时分裂为四种。标准模型已经成功将弱力和电磁力统一为一种力，并通过实验得到了证明。在此基础上，若再将强力统一进来，就称为“大统一理论（GUT）”。若连同引力一并统一，使所有力实现统一，则称为“万有理论（ToE，Theory of Everything）”。
然而，大统一理论迄今尚未通过实验得到验证。即便是目前地球上能够将粒子加速到最高能量的装置——欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC），其能量也远不足以验证大统一理论。
如果能够发现基于大统一理论预测的轴子暗物质，就等于找到了支持大统一理论的证据。以大统一理论为基础所预言的轴子被称为“DFSZ（Dine-Fischler-Srednicki-Zhitnitskii）轴子”。DFSZ轴子是由 Kyunghee 大学的荣休教授 Kim Jin 提出，因此在我们这里也颇为知名。与标准 KSVZ 轴子相比，DFSZ 轴子与现有物质的相互作用更弱，这意味着探测难度更大。
轴子在强磁场中会转化为光（光子），以此为线索，自1989年以来，全球范围内一直在开展轴子探测实验。但在 DFSZ 轴子探测方面，由于实验难度极高，此前只有美国华盛顿大学主导的“ADMX（Axion Dark Matter eXperiment，轴子暗物质实验）”国际联合实验在进行。
研究团队将实验参数提升至最尖端水平，启动了全球第二个 DFSZ 轴子探测实验。轴子的探测概率在磁场越强时越高。研究团队安装了磁场强度达12特斯拉（T）的磁体，相当于地磁场的30万倍；ADMX 使用的是8特斯拉磁体。为将干扰信号探测的背景噪声降至最低，团队构建了接近绝对零度的超低温环境，并引入量子技术。同时，开发出一套可将谐振腔输出信号“百分之百”读出的处理系统，大幅提高了扫描速度。借此，在保持世界最高灵敏度的同时，研发出一套能在短短半个月内完成 ADMX 装置需要60天才能分析完的频段的设备。
此次研究纳入了2022年3月1日至18日开展的实验结果。研究团队确认，在约1.1吉赫（GHz）的频率范围内不存在轴子。目前的轴子搜寻，是在轴子被理论推测可能存在的频率区间内逐段扫描，将未出现信号的区域一块块“排除”的方式进行。
IBS 研究委员 Ko Shinrok 表示：“如果轴子被发现，并被证实就是暗物质，人类对宇宙的认知将从5%扩大到32%”，“我们这项极具挑战性的研究，有望成为通向终极物理理论——‘万有理论（Theory of Everything）’的一块奠基石。”
本次研究成果已于本月16日在线发表在物理学领域学术期刊《Physical Review Letters》（物理评论快报，影响因子9.161）上。
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