轴子是一种假设的粒子，它可能是宇宙中质量最轻的粒子之一。据科学家们预测，轴子以暗物质的形式占据了宇宙质量的85%。然而，轴子是否真的存在却是一个疑问。phys.org网站3月28日报道，美国麻省理工学院（MIT）领导的研究团队在《物理评论快报》发文称，他们的轴子观测新实验已经完成了首次运作，在观测的第一个月中，研究人员未能在0.31~8.3纳米电子伏特内发现轴子的踪迹。这意味着在这个范围内，轴子要么不存在，要么对电和磁的影响比之前预测的更小。
项目研究首席、MIT物理学助理教授Lindley Winslow 说：“这是学界首次直接研究轴子空间。我们非常兴奋，因为我们现在可以高呼‘我们已经有办法研究轴子空间了，并且知道如何做得更好’。”
虽然轴子可能无所不在，但它们实际上更像“幽灵”，只与宇宙中的其他物体有微弱的相互作用。Winslow说：“对暗物质而言，它们不会影响你的日常生活。但人们认为它们会在宇宙学层面上对其他物体产生影响，例如影响宇宙的膨胀和星系的形成。”从理论上讲，由于轴子与电磁之间存在相互作用，它们在磁星周围会表现出令人惊讶的行为。磁星是一种中子星，它会产生非常强大的磁场。如果轴子真的存在，它们会利用磁星磁场将自身转化为无线电波——在地球上，无线电波是可以用专用望远镜探测到的。
2016年，MIT的三名研究人员 （Jesse Thaler等）受磁星启发，设计了一项探测轴子的思维实验（ABRACADABRA）：将一个甜甜圈形状的小型磁铁放在冰箱中，冰箱温度设置为略高于绝对零度。如果轴子确实存在，探测器会在‘甜甜圈’磁铁中部发现磁场。在Thaler等公布了理论设计方案后，身为实验主义者的Winslow就开始寻找能实现实验的方法了。Winslow说：“我们希望找到来自轴子的信号。Thaler等已经考虑了磁铁的特殊几何结构，因此从技术上讲，如果探测器能发现磁场，那么它只能是轴子产生的。”
这是一个颇具挑战性的实验。Winslow等面临的主要挑战主要有两个：（1）冰箱的机械泵系统会产生轻微振动，有可能会掩盖轴子信号。（2）环境噪声会产生竞争磁场。研究人员通过使用细线悬挂实验装置解决了第一个问题，然后采用冷超导屏蔽与热屏蔽相结合的方法解决了第二个问题。解决两大难题后，研究人员还利用“假轴子”对系统进行了测试实验。结果证明一切已经准备就绪。
2018年，研究人员进行了ABRACADABRA项目的首次实验，在一个月的连续采样周期内，他们没有在0.31~8.3纳米电子伏特内发现轴子。Winslow等将继续进行实验，以寻找更“弱小”的轴子。与此同时，Winslow也在研究如何将实验装置的规模放大，以增强其轴子检测能力。Winslow说：“在下一阶段，有可能会有重大发现。找到领域突破点的想法一直激励着我们不断前行。”
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编译：雷鑫宇
责编：唐林芳
期刊来源：《物理评论快报》
期刊编号：0031-9007
原文链接：https://phys.org/news/2019-03-dark-evidence-axions.html
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