科學家計劃模擬磁星來探測軸子

磁線圈嵌入超導金屬內模擬天文學中的磁星
美國麻省理工學院的物理學家正計劃進行一項新實驗,來探測一種名為軸子(axion)的粒子。如果實驗成功,將破解粒子物理學領域一個複雜的未解之謎:強電荷宇稱破壞,並進一步釐清暗物質的屬性。

強電荷宇稱破壞是粒子物理學懸而未決的重大疑難之一。 1977年,物理學家就提出軸子方案來解釋這一問題。軸子被認為是宇宙間最輕的粒子之一,大小約為質子的百京分之一(one-quintillionth = 10^-18)。如果它們存在,可能會和其他仍未現身的粒子以暗物質形式,組成宇宙總物質的八成。

麻省理工學院的物理學家團隊打算在受控制的實驗環境下,借助磁共振成像技術模擬天文學中的磁星(一種能產生極強磁場的中子星)來探測軸子。這一實驗的核心名為:使用放大的B場環裝置的寬帶/共振方法探測宇宙軸子(A Broadband/Resonant Approach to Cosmic Axion Detection with an Amplifying B-field Ring Apparatus),包含有一系列磁線圈,這些線圈纏繞成一個甜甜圈(donut)嵌入一層超導金屬內,並保持在一個溫度僅在絕對零度之上的冷凍機內,使外部噪音最小。

研究人員指出,設計模型約為手掌大小,能產生一特斯拉(Tesla)的磁場。如果軸子出現,磁場將產生非常微小的振動,頻率與軸子質量直接相關,一種置於甜甜圈內的超靈敏磁力計能測出這一頻率,並最終確定軸子的大小。

目前,華盛頓大學的科學家正在進行軸子暗物質實驗。該實驗使用一個置於大型超導磁鐵內的微波諧振腔來探測軸子到微波光子非常微弱的轉變,目的在尋找軸子。而麻省理工學院物理學副教授傑西·泰勒(Jesse Thaler)領導的團隊尋找比質子更小更輕的粒子。

【圖:麻省理工學院;文:節錄自互聯網翻譯麻省理工學院10月7日的新聞公佈;新聞訊息由林景明提供】研究全文刊登在已經出版的《物理評論快報》

軸子是一種假想的亞原子粒子,大約是1970年代為了解決電荷共軛宇稱(charge parity)守恆問題所提出的一個假想粒子,1977年的皮塞-奎恩理論(Peccei–Quinn theory)首先提到這個概念。

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