ADMX在Axion暗物质检测技术方面的突破

在华盛顿大学的ADMX实验大厅内。ADMX检测器在地下，周围环绕着磁场。照片：马克·斯通/华盛顿大学

新的结果借鉴了30年的研究和开发，并开始了对轴突颗粒的确定性搜索。

四十年前，科学家对一种新型的低质量粒子进行了理论分析，该粒子可以解决自然界中一个持久的谜团：暗物质是由什么构成的。现在，搜寻该粒子的新篇章已经开始。

本周，Axion暗物质实验（ADMX）公布了一项新结果，该结果发表在《物理评论快报》上，并将其归为以下类别：这是世界上第一个也是唯一的一个实验，它达到了“听到”暗物质轴心的迹象的必要灵敏度。这项技术突破是30多年研究和开发的结果，而最新的难题是采用量子功能的设备，该设备使ADMX能够比以往任何实验都更紧密地聆听轴心。

轴力暗物质实验（ADMX）正在寻找称为轴力的理论粒子，这可能会解决暗物质的奥秘。由费米实验室（Fermilab）管理并位于华盛顿大学的ADMX是该类型的第一个也是唯一一个具有检测轴突暗物质颗粒敏感性的实验。

ADMX由美国能源部的费米国家加速器实验室管理，位于华盛顿大学。这一新结果是第二代ADMX运行的第一个结果，它对轴可能隐藏的小范围频率设置了限制，并为未来几年进行更广泛的搜索打下了基础。

ADMX检测器的剖面图，可以检测在寒冷，黑暗的内部内部产生光子的轴。图像：ADMX合作

Fermilab科学家ADMX的运营经理Andrew Sonnenschein说：“这一结果标志着人们真正开始寻找斧头。”“如果暗带轴存在于我们的频带中，我们将在接下来的几年内进行探测，那么找到它们只是时间问题。”

一种理论认为，将银河系在一起的暗物质可能由大量的低质量粒子组成，这些低质量粒子在流过宇宙时几乎是看不到的。1980年代，由麻省理工学院的理论家弗兰克·威尔泽克（Frank Wilczek）将其命名为轴力的尝试并未成功，这表明对它们的检测将极具挑战性。

ADMX是一个轴距检波器，本质上是一个大型的，低噪声的无线电接收器，科学家可以将其调谐到不同的频率，并聆听以找到轴距信号的频率。轴几乎永远不会与物质发生相互作用，但是借助强磁场和冷，暗，调优的反射盒，ADMX可以“听到”轴转化为检测器内部的电磁波时产生的光子。

“如果您想到的是AM收音机，那正是这样，” ADMX联合发言人，华盛顿大学助理教授Gray Rybka说。“我们建造了一个寻找电台的收音机，但我们不知道它的频率。我们边听边慢慢转动旋钮。理想情况下，当频率合适时，我们会听到提示音。”

1983年，佛罗里达大学的皮埃尔·斯基基维（Pierre Sikivie）发明了这种可以使“隐形轴心”可见的检测方法，正如银河系光晕可以由轴心制成的想法一样。Fermilab，罗切斯特大学和美国能源部布鲁克海文国家实验室的合作以及佛罗里达大学的科学家共同进行了开创性的实验和分析，证明了该实验的实用性。这导致在1990年代后期在美国能源部劳伦斯·利弗莫尔国家实验室建造了大型探测器，这是当前ADMX的基础。

然而，直到最近，ADMX团队才能够将超导量子放大器发挥出其全部潜能，从而使实验达到前所未有的灵敏度。以前的ADMX运行受热辐射和机器自身的电子设备产生的背景噪声的影响。

固定热辐射噪声很容易：制冷系统将检测器冷却到0.1开氏度（大约为460华氏度）。但是，消除电子设备的噪声却更加困难。ADMX的第一批产品使用标准晶体管放大器，但是在与加州大学伯克利分校的教授John Clarke联系后，Clarke开发了用于实验的量子受限放大器。这种更加安静的技术与制冷单元相结合，将噪声降低了足够大的水平，以至于ADMX发现信号时，信号将通过大声而清晰的声音。

“使用基于晶体管的放大器的该实验的初始版本将花费数百年的时间来扫描最可能的轴突质量范围。使用新的超导探测器，我们可以在短短几年的时间范围内搜索相同的范围，” ADMX联合发言人兼劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的科学家Gianpaolo Carosi说。

华盛顿大学教授，ADMX首席科学家莱斯利·罗森伯格（Leslie Rosenberg）说：“这一结果为我们插上了旗帜。”“它告诉世界，我们有敏锐的感觉，并且在找到轴心方面也有出色的表现。不需要新技术。我们不再需要奇迹，我们只需要时间。” ADMX现
在将在这种灵敏度水平下测试数百万个频率。如果发现了轴子，那将是一个重大发现，它不仅可以解释暗物质，而且可以解释宇宙中其他挥之不去的奥秘。如果ADMX没有找到轴心，这可能会迫使理论家为这些谜团设计新的解决方案。

Fermilab的科学家Aaron Chou说：“发现可能会在未来几年的任何时候出现。”“到这一点，路途遥遥无期，但是我们将在不断寻找斧头的过程中开始最激动人心的时刻。”

出版物：N. Du等人，“使用Axion暗物质实验搜索不可见的Axion暗物质”，《物理评论快报》，2018年； doi：10.1103 / PhysRevLett.120.151301