科学研究
科研成果
刘佳研究员与合作者在轴子探测方向取得重要进展
发布日期:2020-11-05浏览次数:

轴子(axion)是1977年Peccei-Quinn理论为解决量子色动力学(QCD)中的强CP问题而假设的一种赝标量基本玻色子。另外根据天文学研究,暗物质占据了宇宙物质的85%。如果轴子存在,且质量低于电子伏(eV),则可以是冷暗物质的有力候选者。由于它能够同时解决强CP问题和暗物质问题,因而引起众多粒子物理学家的关注。

轴子可与包括胶子、光子和各种费米子在内的标准模型粒子产生非常微弱的相互作用;根据相互作用的不同,各种实验被用来探索轴子的性质。来自太阳的轴子可通过XENON1T和PANDAX等暗物质直接探测实验进行探索。轴子在太阳中的产生集中于太阳核心,该区域温度大约为1.5×107 K,对应能量在keV量级,恰好在上述实验电子反冲事件的探测能量范围以内。

XENON1T实验组曾在2020年6月发表的预印本论文(arXiv: 2006.09721)中指出,在1~7 keV探测到的电子反冲事例多于预期,且集中于2~3 keV;此文章后来于10月正式发表在《物理评论D》(PRD 102, 072004 (2020))上。北京大学物理学院、核物理与核技术国家重点实验室刘佳研究员及合作者发现,XENON1T及以往所有液体惰性气体类直接探测实验在太阳轴子模型行实验分析中所使用的理论框架忽视了一个重要的探测过程,即逆普里马科夫过程。如果轴子和光子具有相互作用,它可以通过氙原子核的电场转化成为光子。由于在XENON1T实验中,keV光子和具有keV动能的电子在液氙的能损非常迅速且极为相似,二者区别无法通过实验分辨,因此轴子的逆普里马科夫效应对实验分析有重大影响。刘佳等人的研究首次指出逆普里马科夫效应在太阳轴子探测中的重要性,以及在加入该效应之后,XENON1T的实验数据与天文星体冷却限制之间的矛盾显著缓解;上述研究结果在XENON1T的PRD论文中也得到认同。

XENON1T实验结果(上);刘佳及合作者的实验结果(下)


上述研究成果近期发表于《物理评论快报》(Phys.Rev.Lett.125,131806 (2020));费米实验室博士后Christina Gao为第一作者,刘佳为共同通讯作者,其他合作者包括芝加哥大学Liantao Wang教授和博士后Yiming Zhong、北京航空航天大学王小平副教授和佛罗里达大学Wei Xue助理教授。


原文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.131806