寻找暗物质的新方法:反物质和潘宁陷阱

潘宁阱系统

基地协作的Penning陷阱系统。资料来源:日本理化学研究所基础对称实验室的Stefan Sellner

研究人员现在正在寻找暗物质的反物质。

基本协作,已经执行了对寻找暗物质的新方法进行新方法的研究欧洲核子研究中心与一支团队一起在普明斯+卓越奖Gutenberg大学Mainz(jgu)。研究人员首次探索暗物质如何影响反物质而不是标准物质。

他们的发现现已发表在最新版本的知名科学期刊上自然.They are the results of research undertaken by scientists at Japan’s RIKEN research center, the Max Planck Institute of Nuclear Physics in Heidelberg (MPIK) and the National Metrology Institute Braunschweig (PTB), working jointly in the Max Planck-RIKEN-PTB Center for Time, Constants and Fundamental Symmetries, as well as scientists from CERN, the Johannes Gutenberg University Mainz (JGU), the Helmholtz Institute Mainz (HIM), the University of Tokyo, the GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research in Darmstadt and the Leibniz University Hannover.

CERN ANTIPROTON DENELERATOR

Stefan Ulmer在Cerns Antiproton Decelerator(广告)的基础实验中工作。信用:Maximilien Brice / Cern

迄今为止,科学家们始终使用基于物质的样本在低能量下进行高精度实验,希望找到一个暗物质的联系,“基督教斯·斯姆拉博士,该研究的主要作者解释道。目前在日本的riken研究所工作,他打算使用ERC启动授权,在JGU的物理研究所建立一个工作组。“现在我们已经决定明确搜索暗物质和反物质之间的相互作用。通常假设暗物质的相互作用对于颗粒和抗粒子将是对称的。我们的研究旨在确定这是否真的是这种情况。“

事实上,该项目的参与者在这种方法中看到了双重效益:在这一点上有很少的了解,关于暗物质的微观特征。目前讨论了暗物质可能的组分是所谓的阿尔卑斯山(轴状颗粒)。此外,粒子物理学的标准模型没有解释为什么在我们宇宙中的反物质显然比较要大。“通过我们的实验,我们希望找到可以提供这两个方面之间的联系的线索,”Yevgeny Stadnik博士,他们参与了这项研究,作为他的洪堡奖学金的一部分。“尚未探讨这种可能的不对称相互作用,既不是在实验性水平的理论上。我们目前的研究工作正在进行第一个真实的一步。“

被捕获的反水解可以向暗物质提供洞察力

科学家们正把注意力集中在一种叫做“潘宁陷阱”的特殊装置中捕获的单一反质子上。这个粒子是由欧洲核子研究中心(CERN)的科学家使用反质子减速器(AD)制造的。欧洲核子研究中心是世界上唯一能够产生低能反质子的研究机构。然后,科学家们利用基地合作组织的捕集系统储存和实验在那里产生的反质子。

“迄今为止,科学家们始终使用基于物质的样品在低能量下进行高精度实验,希望找到与暗物质的联系。现在我们决定明确搜索暗物质和反物质之间的相互作用。“- 基督教博士的闷烧

Antiproton具有充电和旋转。在磁场内,旋转精细围绕磁场线以恒定,高度特定的速率,称为传道或旋转预示频率。“这意味着我们可以在影响这种频率的影响时检测到暗物质的存在,”基督教闷闷不乐说。“为此目的,我们假设潜在的暗物质粒子以与具有特定波长的经典领域相同的方式起作用。暗物质产生的波通过我们的实验不断通过,因此对否则预期保持恒定的旋转动力频率的周期性效果。“

利用他们的实验装置,研究人员已经探索了一个特定的频率范围,但没有成功——迄今为止还没有证据表明暗物质的影响。“使用我们目前的测量概念,我们还不能确定反质子自旋进动频率的任何显著的周期性变化,”欧洲核子研究中心BASE合作的发言人Stefan Ulmer解释说。“但我们已经设法达到了比天体物理学相关观测高5个数量级的灵敏度水平。因此,我们现在可以重新定义暗物质和反物质之间任何潜在相互作用的强度上限,基于我们已经设法实现的灵敏度水平。”

合并两组

目前的项目实际上融合了两个研究小组的努力。基地在欧洲核子研究中心的合作历史悠久和成功的研究反质子的基本属性,而教授领导的小组德米特里•Budker研究员棱镜+集群卓越和他一起进行,非常活跃在寻找暗物质和提供了重要的解释研究的输入。德米特里·巴德克(Dmitry Budker)指出:“我们确定,在我们的研究中有很多重叠,这导致了寻找暗物质的新方法的想法。”

展望未来,科学家们希望进一步提高反质子自旋进动频率的测量精度——如果要证明基于反物质的暗物质搜索是成功的,这是一个基本要求。在这方面,由JGU物理研究所Jochen Walz教授领导的团队,与MPIK和RIKEN合作,正在开发冷却质子和反质子的新方法,而来自德国汉诺威莱布尼茨大学PTB Braunschweig的一组科学家,日本理研所正在实施基于量子逻辑的反质子自旋态读出方法。其他各种有前途和类似的反粒子相关研究也在招手,例如,使用正电子和反子。

暗物质和反物质的奥秘可能存在联系有关这项研究的更多信息。

Reference: “Direct limits on the interaction of antiprotons with axion-like dark matter” by C. Smorra, Y. V. Stadnik, P. E. Blessing, M. Bohman, M. J. Borchert, J. A. Devlin, S. Erlewein, J. A. Harrington, T. Higuchi, A. Mooser, G. Schneider, M. Wiesinger, E. Wursten, K. Blaum, Y. Matsuda, C. Ospelkaus, W. Quint, J. Walz, Y. Yamazaki, D. Budker and S. Ulmer, 13 November 2019,自然
DOI: 10.1038 / s41586 - 019 - 1727 - 9

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