理論物理所等在軸子探測研究中獲進(jìn)展

　　隨著希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)模型已被各種實(shí)驗(yàn)證實(shí)。標(biāo)準(zhǔn)模型是物理學(xué)杰出的成就之一，但它仍有一些問題，如暗物質(zhì)和強(qiáng)CP問題等。故標(biāo)準(zhǔn)模型不可能是粒子物理的終極理論。Peccei-Quinn（PQ）機(jī)制自然解釋了強(qiáng)CP問題，并預(yù)言了軸子。軸子是暗物質(zhì)候選者，如果質(zhì)量約為50 μeV，其剩余豐度與目前觀測值相符。軸子及其推廣類軸子與主流超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理如超對(duì)稱理論、大統(tǒng)一理論、超弦理論和暴漲理論等有緊密聯(lián)系。故軸子/類軸子是有希望的超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理，其理論和實(shí)驗(yàn)研究是目前粒子物理前沿研究熱點(diǎn)。此外，Sudbury Neutrino Observatory（SNO）實(shí)驗(yàn)利用中微子與重水的相互作用來探測太陽中微子，其優(yōu)點(diǎn)是可同時(shí)探測標(biāo)準(zhǔn)模型中三種味道中微子并解決太陽中微子問題。

　　中國科學(xué)院理論物理研究所研究員李田軍，北京工業(yè)大學(xué)理學(xué)部國際教師Nick Houston，以及理論物理所博士研究生Aagaman Bhusal，創(chuàng)造性地提出利用SNO實(shí)驗(yàn)結(jié)果，開展輕型暗物質(zhì)或長壽命粒子的探測研究，并首先于太陽軸子探測研究中取得進(jìn)展。

　　太陽軸子產(chǎn)生于質(zhì)子-質(zhì)子的二級(jí)聚變（Fusion）過程，即質(zhì)子-質(zhì)子湮滅產(chǎn)生氘核、正電子和電子中微子，或者質(zhì)子、質(zhì)子和電子共湮滅產(chǎn)生氘核和電子中微子，然后質(zhì)子和氘核湮滅產(chǎn)生氦3核和軸子，其軸子能量約為5.5 MeV。在SNO探測器內(nèi)，正如1978年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Steven Weinberg首先指出的，能量大于2.2 MeV的軸子可以將氘核離解為質(zhì)子和中子。離解產(chǎn)生的中子平衡之后，中子與氘核湮滅產(chǎn)生氚核和 6.25 MeV的光子，該光子可以被光電倍增管（PMT）觀測到。其背景是中微子與氘核湮滅產(chǎn)生中子、質(zhì)子和中微子過程。該軸子探測方案優(yōu)點(diǎn)是不依賴于軸子是否是暗物質(zhì)候選者，且其結(jié)果與模型無關(guān)等。

　　利用SNO全部數(shù)據(jù)，對(duì)于質(zhì)量小于MeV的軸子，李田軍與合作者排除了軸子和核子之間的Isovector Coupling () 大于的參數(shù)空間（如圖中藍(lán)色區(qū)域）并在部分參數(shù)空間給出了目前世界上最強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)限制，這也是世界上首次對(duì)此耦合常數(shù)給出直接探測的實(shí)驗(yàn)限制。若該耦合常數(shù)中軸子質(zhì)子耦合常數(shù)與軸子中子耦合常數(shù)沒有精確相消，該研究結(jié)果能夠排除以前實(shí)驗(yàn)如SN1987A和Neutron Star Cooling等沒有排除的相關(guān)參數(shù)空間。

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在Physical Review Letters上，研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、彭桓武理論物理創(chuàng)新研究中心及中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目等的支持。

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理論物理所等在軸子探測研究中獲進(jìn)展