现代物理学的奥秘之一玻色子轴子暗光子到底谁才是暗物质?
目前对暗物质的确切性质知之甚少,一些最有希望的暗物质候选者是极轻的玻色子粒子,如轴子,轴子状粒子,甚至暗光子。这些也可以被认为是以一定频率振荡的经典场。但科学家还不能给出这个频率的数值,也就是粒子的质量。这就是为什么在卡斯珀研究项目中,研究人员正在系统地研究不同的频率范围,寻找暗物质的线索。巴克的团队正在通过宇宙轴自旋进动实验(Casper)寻找暗物质。
Casper小组在美因茨Johannes Gutenberg大学(JGU)和美因茨Helmholtz研究所(HIM)的Prisma+Cluster of Excellence进行实验。Casper是一个国际研究项目,使用核磁共振技术来识别和分析暗物质。Casper团队正在开发特殊的核磁共振(NMR)技术,每项技术都针对特定的频率范围,因此针对特定范围的暗物质粒子质量。
核磁共振一般依赖于这样一个事实,即核自旋对特定共振频率下振荡的磁场做出反应。谐振频率是通过第二个,通常是静态磁场来调节。卡斯珀研究计划的基本思想是,暗物质场可以以同样的方式影响核自旋。当地球穿过这个磁场时,核自旋的行为就好像他们会经历一个振荡的磁场,从而产生暗物质诱导的NMR光谱。
在目前的研究中,第一作者Antoine Garcon和同事使用了一种更奇特的技术:零到超低场(ZULF)NMR。通讯作者John W.Blanchard博士说:零到超低场(ZULF)NMR提供了一种核自旋相互作用比它们与外部磁场更强的相互作用机制。为了使自旋对暗物质敏感,只需施加一个非常小的外部磁场,这就更容易稳定了。
此外,研究人员首次检查了关于暗物质诱导边带的13C-甲酸ZULF NMR谱,采用一种新的分析方案在多个测量中相干平均任意频率的边带。这种特殊形式的边带分析,使科学家能够在新的频率范围内搜索暗物质。没有检测到暗物质信号,正如Casper团队在新一期《科学进展》中报道的那样,这使得作者可以排除超轻暗物质的耦合超过特定阈值的可能性。与此同时,这些结果提供了暗物质谜团的另一部分,并补充了卡斯珀项目先前的结果。
当时科学家们使用另一种名为共磁法的专门NMR方法探索了更低频率。就像拼图游戏一样,在Casper程序中组合了不同的部分,以进一步缩小暗物质搜索的范围。这只是第一步,目前科学家们正在实施几个非常有希望的修改,以增加实验的敏感性。暗物质这种看不见的物质占宇宙物质的80%以上,是现代物理学最基本的奥秘之一。超轻玻色子,如轴子,轴子状粒子,或暗光子可能构成大部分暗物质。
这种玻色子和核自旋之间的耦合可以通过核磁共振(NMR)光谱学实现它们的直接检测:当核自旋穿过银河系暗物质晕时,它们与暗物质耦合,表现得就像处于振荡磁场中,产生暗物质驱动的NMR信号。作为宇宙轴子自旋进动实验(Casper)的一部分,基于NMR的暗物质搜索,研究使用超低场NMR来探测轴子-费米子"风"耦合和暗光子耦合到核自旋。在背景之上没有检测到暗物质信号,为质量从1.8×10^−16到7.8×10^−14 eV的暗物质玻色子建立了新的实验界限。
博科园|研究/来自:美因茨大学
参考期刊《科学进展》
DOI: 10.1126/sciadv.aax4539
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