欧洲XFEL携手多国科研机构探索暗物质候选粒子轴子

欧洲XFEL携手多国科研机构探索暗物质候选粒子轴子

欧洲XFEL（X射线自由电子激光设施）的研究人员与英国科学技术设施委员会（STFC）、牛津大学及其他研究机构的科学家们合作，在寻找可能解释宇宙暗物质本质的假想粒子——轴子方面取得了新进展。相关研究成果已在《物理评论快报》上发表。

在欧洲 XFEL 的 HED/HiBEF 仪器上进行轴子搜索(图片：欧洲 XFEL)

此次研究的焦点在于利用欧洲XFEL的高能密度仪器HED/HiBEF来探测轴子这种微小且极轻的假想粒子。轴子不仅被提出用于解释中子为何没有电偶极矩（尽管其由带电的夸克组成），还可能预示着超越现有标准模型的新物理学领域。更重要的是，轴子被认为是构成宇宙大部分结构的神秘暗物质的潜在候选者。

实验在欧洲XFEL进行，该设施位于德国汉堡附近的舍内费尔德，是目前世界上最大、最强大的X射线激光器。研究人员将欧洲XFEL产生的强X射线束引导至锗晶体薄片中，这些薄片内部存在强电场，对移动粒子而言，其效果相当于一个约1000特斯拉的极强磁场。在这样的条件下，光子有可能转变为轴子，并在特定条件下再次变回光子。

实验中，钛箔被插入晶体之间，作为光子的屏障，只允许轴子通过。当轴子在另一侧的晶体中转换回光子时，这些光子即被探测器捕获。

此次可行性研究表明，研究团队所设计的装置在轴子灵敏度方面已能与使用粒子加速器的实验相媲美。这一成果为在毫电子伏至千电子伏的质量范围内测量轴子的实验奠定了坚实基础。