如何使用微波谐振腔探测暗物质轴子

　　1977年，人们提出轴子这一类基本粒子是强电荷宇称（CP）这一理论粒子物理学问题的解决方案。之后，人们发现该粒子其实可能是暗物质的一个组成部分。目前许多实验活动正在开展，都希望最终能探测到轴子。本篇博客中，我们将聚焦轴子暗物质实验（ADMX），该实验尝试通过微波谐振腔来达成这一目标。

　　探测难以捕捉的粒子

　　探测轴子似乎非常有挑战性。人们认为该粒子类似于鬼粒子，它与普通物质的相互作用非常微弱，且质量非常低。不过，目前也有一些备受瞩目的实验希望能探测到这一难以捕捉的粒子。其中的一个实验尝试通过将包含光子的激光束置于一个9 特斯拉的磁场中，进而实现“将光穿过墙壁”。另一个实验尝试通过一种特殊的望远镜来努力找出太阳中产生的轴子。此外，还有一个实验的目标是在微波谐振腔中探测一个假定存在的极小功率源。

　　设计轴子探测实验中的挑战

　　设计轴子探测实验所面临的主要挑战包括：没有人知道粒子的质量，以及它与普通粒子间的耦合到底有多弱。事实上，所预测的质量范围跨越了多个数量级（从1 µeV 到1 eV）。出于理论和天体物理方面的考虑，目前认为该范围之外质量的可能性较小。此外，我们所称的耦合常数，即确定多少轴子会与普通物质相互作用，也是未知的。一些轴子实验是基于这样的预测前提，即置于强磁场中时，轴子和光子会相互转换。所预测的较大质量范围随即被解读在一定频率范围中探测电磁辐射或光子。每个小组都希望能在某个可能的质量和耦合常数范围内找到轴子，并据此构建了实验设备。基于所预测的轴子属性，他们用到了完全不同的技术。

　　轴子暗物质实验（ADMX）

　　华盛顿大学的实验物理和天体物理学中心开展了轴子暗物质实验（ADMX）。实验中用到了一个置于大型超导磁体中的圆柱形微波谐振腔。如果轴子的质量很小，就可以在微波谐振腔中以微波的形式被检测到。实验可以探测到1 µeV 至10 µeV 范围的低质量轴子。相对于重量为0.5 MeV 的电子，该质量可谓非常小，或者说，电子的质量为轴子的1 万亿倍。ADMX 需要能够探测到非常微弱的功率峰值，这几乎是实验设备所无法满足的一个要求。