理论物理所在轴子探测研究中取得进展

  随着希格斯粒子的发现,标准模型已经被各种实验证实。虽然标准模型是二十世纪物理学最伟大的成就之一,但是它有一些问题,如暗物质和强 CP 问题等。故标准模型不可能是粒子物理的终极理论。Peccei-Quinn(PQ)机制自然解释了强 CP 问题,并预言了轴子。轴子是暗物质候选者,如果质量约为 50 μeV, 其剩余丰度与目前观测值相符。轴子及其推广类轴子与主流超出标准模型的新物理如超对称理论,大统一理论,超弦理论,和暴涨理论等有着紧密地联系。故轴子/类轴子是非常有希望的超出标准模型的新物理,其理论和实验研究是目前粒子物理前沿研究热点。  

  另外,Sudbury Neutrino Observatory (SNO)实验利用中微子与重水的相互作用来探测太阳中微子,其优点是能同时探测标准模型中三种味道中微子并解决太阳中微子问题。因为发现中微子震荡的贡献,所以 SNO 实验室主任 Arthur B. McDonald 教授于2015年获得诺贝尔奖。  

  中国科学院理论物理研究所李田军研究员, 北京工业大学理学部国际教师Nick Houston博士,以及中国科学院理论物理研究所博士研究生Aagaman Bhusal 同学创新性提出了利用SNO 实验结果开展轻型暗物质或长寿命粒子的探测研究,并首先于太阳轴子探测研究中取得进展。  

  太阳轴子产生于质子-质子的二级聚变(Fusion)过程, 即质子-质子湮灭产生氘核、正电子和电子中微子,或者质子、质子和电子共湮灭产生氘核和电子中微子, 然后质子和氘核湮灭产生氦3核和轴子,其轴子能量约为 5.5 MeV. 在 SNO 探测器内, 正如 1978 年诺贝尔奖获得者 Steven Weinberg 教授首先指出的,能量大于2.2 MeV的轴子可以将氘核离解为质子和中子。离解产生的中子平衡之后,中子与氘核湮灭产生氚核和 6.25 MeV 的光子,该光子可以被光电倍增管 (PMT)观测到。其背景是中微子与氘核湮灭产生中子、质子和中微子过程。该轴子探测方案优点是不依赖于轴子是否是暗物质候选者,并且其结果与模型无关等。  

  利用SNO 全部数据,对于质量小于 MeV的轴子,李田军研究员与合作者排除了轴子和核子之间的 Isovector Coupling () 大于的参数空间(如下图蓝色区域),  并在部分参数空间给出了目前世界上最强的实验限制,这也是世界上首次对此耦合常数给出直接探测的实验限制。如果该耦合常数中轴子质子耦合常数与轴子中子耦合常数没有精确相消,该结果能够排除以前实验如SN1987A 和 Neutron Star Cooling 等没有排除的相关参数空间。具体如下图所示:

  

  此项工作发表于Phys. Rev. Lett., 得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金委面上项目、彭桓武理论物理创新研究中心以及中国科学院前沿科学重点研究项目等的支持。 

  
 

  论文链接: 

  https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.126.091601