搜索轴：揭示暗物质粒子

暗物质是现代宇宙学的核心奥秘之一。即使在对我们宇宙中这个神秘的组成部分的真实性质进行了多年的调查之后，到目前为止，对其原因的每一次探索都是徒劳的。大卫J。EGott亭n大学的马什认为，解决方案是一个基本粒子，这是40多年前首次提出的，但由于过去技术的损坏，至今仍未被检测到。他提出了一种新型的实验，很快就会加入到全世界寻找这种“轴子”粒子的行列中。

当牛顿首先奠定了他的重力理论时，他们似乎提供了优雅的描述，恒星和行星如何穿过太阳系。然而，由于天文学家来到较大的尺度上观看宇宙，但这种舒适的照片完全改变了。从星系的转速到宇宙的扩张速度，宇宙学家最终意识到许多宇宙的特征只能有意义，如果它包含了大量的一些看似看不见的材料。

这种被称为“暗物质”的神秘物质现在被认为构成了宇宙中大约85%的物质;然而，尽管它很突出，它的真实性质仍然完全不为人知。“多亏了天体物理观测，我们知道暗物质弥漫在宇宙中，并且是由一种新型粒子组成的，”Göttingen大学的马什博士解释道。这种粒子究竟是什么，这个问题长期以来一直吸引着研究人员。与构成今天“标准模型”的基本夸克、轻子和玻色子不同，研究人员知道暗物质不会以通常的方式使用三种基本的电磁力和强核力和弱核力进行相互作用。

到目前为止，大多数理论几乎没有成功解释这种神秘。“在最近的过去，社区青睐的模型是弱互动的巨大粒子，或'WIMP'”，仍在继续沼泽博士。“然而，过去系列的一系列实验未能找到WIMPS，而其父母理论的财富超对称也陷入困境。”虽然搜索WIMPS仍然存在，但另一个理论最近获得了牵引力，如沼泽博士认为，研究人员认为可以提供同样有希望的解释。

扩展对轴子的搜索
In the late 1970s, new calculations of the interactions which take place within the protons and neutrons of atomic nuclei appeared to point to an entirely new fundamental particle – named the ‘axion.’ Initially, the idea wasn’t conceived to explain the nature of dark matter. However, researchers quickly realised that if axions had low, specific masses as their calculations suggested, they could well make up a significant proportion of the Universe’s mass; all while going completely undetected by particle detectors on Earth.

这些技术借鉴了材料科学、高能物理学、精密测量、理论天体物理学和粒子物理学。

目前，我们对轴子的认识仍局限于理论，但马什博士和他的同事以及其他许多研究小组正致力于改变这一现状。”近年来，许多寻找轴子的新实验被构想出来，现在这些实验中的许多已经接近实现。”。

典型的粒子物理实验依赖于以更高的能量粉碎粒子以获得新的发现，而轴子探测器正通过测量技术的改进而变得越来越复杂。对马什博士和他的团队来说，这些进展为“拓扑共振轴子探测”（TOORAD）实验铺平了道路，这是一项拟议的实验，旨在发现轴子穿过地球时的信号特征。

找到合适的频率
马什博士的方法已经加入了越来越多正在寻找轴子的研究。它们共同包含了各种各样的不同技术，每种技术都是基于轴子性质的理论计算。然而，由于这些理论到目前为止还不能确定粒子的确切性质，目前还不清楚哪种理论能起作用。从本质上说，如果一项发现是通过不同技术的反复试验而得出的。

“搜索轴就像调整收音机一样，”沼泽博士说明了。“它需要特定的频率，但我们不知道频率是什么，虽然天体物理学告诉我们最小和最大范围。这意味着我们不知道我们需要建立什么类型的无线电。你想找到车站，但你不知道你是否需要FM或Longwave无线电，甚至是X射线机。“

广泛的实验
在目前许多在特定频率范围内寻找轴子的实验中，MADMAX是一种由若干可调平行圆盘组成的装置，这些圆盘由绝缘材料制成，当暴露在电场中时，其正负电荷会分离。目前的理论认为，如果一个特定频率范围的轴子通过这种排列，它产生的电磁波会在圆盘之间来回反弹。这将极大地放大几乎无法察觉的信号，提醒研究人员注意轴子的存在。

另一个在不同频率范围内运行的实验被命名为casper，该实验寻找由强磁场定向的原子核的自旋摆动，如果轴子通过它们，这种摆动就会发生。之后，这些自旋会与磁场重新对齐，释放出电磁波，这将再次告诉研究人员，轴子已经被探测到。

相比之下，QUAX实验旨在检测铁磁体中的特征扰动。这些金属的原子自旋通常是永久排列的，但如果一个频率范围合适的轴子穿过，就会再次受到干扰，进而改变材料的磁化。马什博士总结说，与许多其他实验一样，“这些努力现在正在全世界进行，活动集中在德国、韩国和美国。”这些技术借鉴了材料科学、高能物理学、精密测量、理论天体物理学和粒子物理学。”

这些技术借鉴了材料科学、高能物理学、精密测量、理论天体物理学和粒子物理学。

探索上限范围
与这些实验相比，TOORAD瞄准了当前轴子理论允许的频率范围的高端。为了探测这些粒子，马什博士和他的同事需要开发一种不遵守通常严格的电磁波与物质相互作用规则的材料。在他们的设计中，研究人员开发了一类在2007年首次通过实验证明的材料，这种材料被称为“拓扑绝缘体”，它们拥有奇特的电子排列方式，可以改变其中的电磁定律。

在TOORAD中，拓扑绝缘体与“反铁磁”材料结合在一起——这些材料包含自旋像铁磁体一样排列的原子，但它们总是指向与相邻原子完全相反的方向。有了这些综合特性，Marsh博士的理论表明，由于拓扑绝缘体中允许的电磁定律，具有太赫兹频率的轴子的影响将使反铁磁自旋以“自旋波”的形式振荡。自旋波本身会导致材料发出电磁波，产生微小但可检测到的能量输出

TOORAD目前仍处于设计阶段，对Marsh博士的团队来说，分离一种结构和成分恰到好处的材料绝非易事。然而，通过一场严格的研究运动，研究人员相信，他们将能够在未来几年开发出适合这项工作的反铁磁拓扑绝缘体。”“我们还没有找到完美的材料，但我们正在与材料科学家合作寻找它，”马什博士解释说这意味着要培育出全新的化合物，并在太赫兹频率、超低温和高磁场下进行测试。”

等待结论性结果
沼泽博士现在希望，虽然之前的暗物质理论缺乏实验证据，但对轴的搜索才刚刚开始，并承诺在未来几年内大规模加速。

到目前为止，很少有轴子实验能够在正确的位置进行搜索。在未来十年左右，这一切都将改变。如果轴子存在，这些新想法中的一个会找到它。但是，由于每种技术的频率范围不同，我们没有直接竞争。大自然将决定谁选择了正确的设计，”他总结道。

通过TOORAD和它的许多同时代人在不同的频率范围内搜索轴子，天文学家可能很快就能最终确认我们宇宙中大多数物质的真实性质。如果这些实验中有一个能产生积极的结果，那么它提供的答案就可能为长期存在的宇宙学谜团提供第一个令人满意的答案，这些谜团包括星系是如何形成的，宇宙将以多快的速度膨胀到遥远的未来。