用中子自旋钟寻找暗物质的踪迹

通过使用伯尔尼大学开发的精密实验，一个国际研究团队成功地显着缩小了暗物质存在的范围。该实验是在法国劳厄-朗之万研究所的欧洲研究中子源上进行的，为寻找这些鲜为人知的粒子做出了重要贡献。

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《物理评论快报》杂志上。

围绕暗物质的谜团

“暗物质究竟是由什么构成的，目前还完全不清楚，”AEC博士生、该研究的主要作者IvoSchulthess解释说。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来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低能和精密物理教授FlorianPiegsa解释说，他被授予2016年获得欧洲研究委员会著名的ERC起始资助，以表彰他对中子的研究。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指南针，它在磁场的作用下旋转，类似于手表的秒针——但速度快了近40万倍。“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。

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