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科學研究
科研成果
劉佳研究員與合作者在軸子探測方向取得重要進展
發布日期:2020-11-05瀏覽次數:

軸子(axion)是1977年Peccei-Quinn理論為解決量子色動力學(QCD)中的強CP問題而假設的一種贗標量基本玻色子。另外根據天文學研究,暗物質占據了宇宙物質的85%。如果軸子存在,且質量低于電子伏(eV),則可以是冷暗物質的有力候選者。由于它能夠同時解決強CP問題和暗物質問題,因而引起眾多粒子物理學家的關注。

軸子可與包括膠子、光子和各種費米子在內的標準模型粒子產生非常微弱的相互作用;根據相互作用的不同,各種實驗被用來探索軸子的性質。來自太陽的軸子可通過XENON1T和PANDAX等暗物質直接探測實驗進行探索。軸子在太陽中的產生集中于太陽核心,該區域溫度大約為1.5×107 K,對應能量在keV量級,恰好在上述實驗電子反沖事件的探測能量范圍以內。

XENON1T實驗組曾在2020年6月發表的預印本論文(arXiv: 2006.09721)中指出,在1~7 keV探測到的電子反沖事例多于預期,且集中于2~3 keV;此文章后來于10月正式發表在《物理評論D》(PRD 102, 072004 (2020))上。北京大學物理學院、核物理與核技術國家重點實驗室劉佳研究員及合作者發現,XENON1T及以往所有液體惰性氣體類直接探測實驗在太陽軸子模型行實驗分析中所使用的理論框架忽視了一個重要的探測過程,即逆普里馬科夫過程。如果軸子和光子具有相互作用,它可以通過氙原子核的電場轉化成為光子。由于在XENON1T實驗中,keV光子和具有keV動能的電子在液氙的能損非常迅速且極為相似,二者區別無法通過實驗分辨,因此軸子的逆普里馬科夫效應對實驗分析有重大影響。劉佳等人的研究首次指出逆普里馬科夫效應在太陽軸子探測中的重要性,以及在加入該效應之后,XENON1T的實驗數據與天文星體冷卻限制之間的矛盾顯著緩解;上述研究結果在XENON1T的PRD論文中也得到認同。

XENON1T實驗結果(上);劉佳及合作者的實驗結果(下)


上述研究成果近期發表于《物理評論快報》(Phys.Rev.Lett.125,131806 (2020));費米實驗室博士后Christina Gao為第一作者,劉佳為共同通訊作者,其他合作者包括芝加哥大學Liantao Wang教授和博士后Yiming Zhong、北京航空航天大學王小平副教授和佛羅里達大學Wei Xue助理教授。


原文鏈接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.131806




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