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寻找重型QCD轴子:一项新的实验突破

科学探索万象经验2023-06-19

你可能听说过轴子,它是一种假想的粒子,被认为可以解决强相互作用的CP问题。简单地说,这个问题就是为什么强相互作用没有违反CP对称性,即物质和反物质之间的对称性。轴子的存在可以使得强相互作用的CP破坏参数非常小,从而与实验观测一致。

轴子有很多种类,其中一种是QCD轴子,它与量子色动力学(QCD)有关,即描述夸克和胶子之间的强相互作用的理论。QCD轴子的质量和衰变常数之间有一个反比关系,即质量越大,衰变常数越小。衰变常数决定了轴子与其他粒子之间的耦合强度,也就是说,衰变常数越小,轴子越难被探测到。

目前,大多数实验都在寻找质量很小(小于1电子伏特)的QCD轴子,因为它们可以解释暗物质的起源。然而,也有一些理论模型预测了质量较大(大于100兆电子伏特)的QCD轴子,它们可以解决轴子质量问题和轴子品质问题。这些问题涉及到轴子在高能物理中的自然性和稳定性。质量较大的QCD轴子可以通过与其他粒子相互作用产生,并且可以衰变成两个轻子(如电子或μ子)。

最近,一个名为ArgoNeuT的实验在费米国家实验室进行了一次前所未有的探测重型QCD轴子的尝试。该实验利用了NuMI中微子束线上的液氩时间投影室探测器和MINOS近探测器的独特能力,来寻找从中微子束靶和吸收器产生并衰变成μ μ−对的重型QCD轴子。该实验覆盖了一个之前未被探索过的重型QCD轴子参数空间区域,即质量在0.2-0.9 GeV之间,衰变常数在几十TeV左右。