用中子自旋钟寻找暗物质的踪迹

伯尔尼实验室的部分实验装置与博士生 Ivo Schulthess。 学分:F. Piegsa

对恒星和星系轨道的宇宙学观测能够得出关于作用于天体之间的引力的明确结论。

惊人的发现:可见物质远不足以解释星系的发展或运动。 这表明存在另一种迄今为止未知的物质类型。 因此,在 1933 年,瑞士物理学家和天文学家弗里茨·兹威基推断出现在所谓的暗物质的存在。 暗物质是一种假定的物质形式,它不是直接可见的,而是通过引力相互作用,其质量大约是我们熟悉的物质的五倍。

最近,在伯尔尼大学阿尔伯特爱因斯坦基础物理中心 (AEC) 开展的一项精密实验之后,一个国际研究团队成功地显着缩小了暗物质存在的范围。 AEC 拥有 100 多名成员,是粒子物理学领域领先的国际研究组织之一。 由伯尔尼领导的团队的研究结果现已发表在《物理评测快报》上。

围绕暗物质的谜团

“实际上暗物质是由什么组成的,目前还完全不清楚,”博士 Ivo Schulthess 解释说。 AEC的学生和该研究的主要作者。 然而,可以肯定的是,它不是由构成恒星、地球或我们人类的相同粒子制成的。 在世界范围内,越来越敏感的实验和方法被用于寻找可能的暗物质粒子——然而,直到现在都没有成功。

某些假设的基本粒子,称为轴子,是暗物质粒子可能候选的有希望的类别。 这些极轻粒子的一个重要优点是它们可以同时解释粒子物理学中尚未被理解的其他重要现象。

伯尔尼实验揭示了黑暗

“凭借多年的专业知识,我们的团队成功地设计和建造了一个极其灵敏的测量设备——光束 EDM 实验,”AEC 低能和精密物理学教授 Florian Piegsa 解释说,他被授予著名的ERC 于 2016 年从欧洲研究委员会开始资助他的中子研究。 如果难以捉摸的轴子确实存在,它们应该在测量设备中留下特征特征。

“我们的实验使我们能够确定中子自旋的旋转频率,它通过电场和磁场的叠加移动,”舒尔塞斯解释说。 每个单独的中子的自旋就像一种罗盘指针,它在磁场的作用下旋转,类似于手表的秒针——但速度快了近 400,000 倍。

“我们精确测量了这个旋转频率,并检查了它是否存在由与轴子相互作用引起的最小周期性波动,”Piegsa 解释说。 实验结果很清楚:“中子的旋转频率保持不变,这意味着我们的测量中没有轴子的证据,”Piegsa 说。

参数空间成功缩小

这些测量是由来自法国的研究人员在劳厄-朗之万研究所的欧洲研究中子源进行的,允许实验排除以前完全未探索的轴子参数空间。 还证明有可能寻找比以前用其他实验可能的重 1000 倍以上的假设轴子。

“尽管这些粒子的存在仍然很神秘,但我们已经成功排除了暗物质的一个重要参数空间,”舒尔特斯总结道。 未来的实验现在可以建立在这项工作的基础上。 “最终回答暗物质的问题将使我们对自然的基本原理有了重要的了解,并使我们更接近对宇宙的全面了解,”Piegsa 解释说。