韩国首次首次搜索DFSZ轴子暗物质

基础科学研究所(IBS)轴子和精密物理研究中心(CAPP)的韩国研究团队最近宣布了最先进的实验装置来寻找轴子。该小组已成功迈出寻找源自大统一理论(GUT)的Dine-Fischler-Srednicki-Zhitnitsky(DFSZ)轴子暗物质的第一步。不仅如此，与世界上任何其他轴子搜索实验相比，IBS-CAPP实验装置的搜索速度要快得多。

物理学“死了”的概念一直是历史上反复出现的观点。19世纪后期，威廉·汤普森(WilliamThompson)，又名开尔文勋爵(LordKelvin)，错误地认为1900年后物理学不会有新发现。同样，有人认为在1930年代发现中子后，不会再有新粒子被发现.即使在今天，仍有人担心现代理论物理学走到了死胡同。

然而，这远非事实。我们目前的物理学知识极限，即标准模型，只能解释大约5%的宇宙，其余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​​宇称)问题等问题时也存在局限性。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，而弱电力在较小程度上违反了CP对称性。这与标准模型相矛盾，标准模型预测CP对称性应该在比观察到的大得多的水平上被强力破坏。

目前，存在两种不同的“超越标准模型”提案来解释强CP问题。这两个模型之间的主要区别在于它们预测了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，轴子主要与重夸克耦合，而在Dine-Fischler-Srednicki-Zhitnitsky(DFSZ)模型中，它们通过希格斯玻色子与标准模型夸克和轻子耦合.

作为暗物质，轴子与普通物质的相互作用非常弱(或很少)，因此寻找它们可能是一件棘手的事情。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(如果存在的话)转化为共振电磁波，然后使用接收器检测到。然后可以根据检测到的波的频率计算出轴子的质量。

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，问题会更加严重，这需要比KSVZ轴子更高的灵敏度。在微波腔搜索实验中，实现更高的灵敏度需要成倍增加的搜索时间，因此几乎所有现有实验装置都无法搜索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轴子所需灵敏度的实验是ADMX(轴子暗物质实验)进行的通过ADMX合作。这使得IBS-CAPP成为世界上第二个成功搜索具有DFSZ灵敏度的轴子的团队。

IBS-CAPP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，实验装置保持在接近绝对零温度。

除了使用更强大的磁铁外，IBS-CAPP实验还使用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设置速度的3.5倍搜索DFSZ轴子。

IBS-CAPP的最新出版物详细介绍了他们在2022年3月1日至3月18日期间进行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4.55µeV左右的轴子暗物质。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%的宇宙质能，高于当前标准模型提供的5%，”IBS-CAPP研究员KOByeongRok表示。他补充说：“我们计划利用我们实验装置的超快速度，在1到2GHz的宽频率范围内快速搜索DFSZ轴子。”

希望轴子的发现能够支持大统一理论(GUT)，它将三种基本力——强、弱和电磁结合起来。据信，这三种基本力在大爆炸后的最早时刻是统一且不可区分的，当时的条件比今天的大型强子对撞机要高出几个数量级。希望GUT将成为理论物理学家多年来一直望而却步的万物理论(TOE)的垫脚石。

IBS-CAPP主任YannisSEMERTZIDIS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。正是由于他们，韩国现在拥有最先进的轴子搜索世界上的实验设施。如果轴子存在，我毫不怀疑它会在韩国这里找到。”