世界上最灵敏的独立于模型的实验，旨在寻找可能构成暗物质的特别轻的粒子，今天在DESY以“光穿过墙壁”实验ALPSII的形式开始。科学计算预测，这种不祥的物质形式在宇宙中出现的频率应该是正常可见物质的五倍。然而，直到现在，还没有人能够识别出这种物质的颗粒。阿尔卑斯山实验现在可以提供这样的证据。

全长250米的ALPS(任意轻粒子搜索)实验正在寻找一种特别轻的新型基本粒子。使用来自HERA加速器的24个回收超导磁体、强激光束、精密干涉测量法和高灵敏度探测器，国际研究团队希望寻找这些所谓的轴子或类轴子粒子。

据信，此类粒子与已知物质的反应非常微弱，这意味着它们无法在使用加速器的实验中检测到。因此，ALPS采用完全不同的原理来检测它们：在强磁场中，光子(即光粒子)可以转化为这些神秘的基本粒子，然后再次变回光。

“像ALPS这样的实验的想法已经存在了30多年。通过使用前HERA加速器的组件和基础设施，以及最先进的技术，我们现在能够在国际上实现ALPSII这是第一次合作，”DESY粒子物理学主任BeateHeinemann说。

DESY董事会主席HelmutDosch补充说：“DESY为自己设定了解码所有不同形式物质的任务。因此ALPSII完全符合我们的研究战略，也许它将打开暗物质的大门。”

ALPS团队沿着真空管中称为光学谐振器的装置发射高强度激光束，该装置长约120米，光束在真空管中来回反射，并由十二个直线排列的HERA磁铁包围.如果一个光子在强磁场中变成一个轴子，那个轴子可以穿过磁铁线末端的不透明壁。

一旦穿过墙壁，它将进入另一个与第一个几乎相同的磁轨。在这里，轴子然后可以变回光子，最后被探测器捕获。此处设置了第二个光学谐振器，以将轴子变回光子的概率提高10,000倍。

这意味着，如果光确实到达墙后，那它一定是介于两者之间的轴子。DESY的项目负责人兼ALPS合作发言人AxelLindner说：“然而，尽管我们采用了所有技术技巧，但光子变成轴子并再次变回来的可能性非常小，就像扔33个骰子一样。相同。”

为了使实验真正起作用，研究人员必须调整设备的所有不同组件以达到最佳性能。光探测器非常灵敏，每天可以探测到一个光子。反射镜系统的光精度也破纪录：反射镜之间的距离必须保持恒定，在相对于激光波长的原子直径的几分之一以内。

超导磁体每9米长，在真空管中产生5.3特斯拉的磁场，是地球磁场强度的10万倍以上。这些磁铁取自HERA加速器6.3公里长的质子环，并为ALPS项目进行了升级回收。磁铁原本是内侧弯曲的，为了实验需要拉直以便储存更多的激光;并且在-269摄氏度的超导条件下操作它们的安全设备已经完全修改。

ALPS实验最初由DESY理论家AndreasRingwald提出，他还通过扩展标准模型的计算支持了该实验的理论动机。Ringwald说：“实验物理学家和理论物理学家为ALPS密切合作。结果是一个具有发现轴子的独特潜力的实验，我们最终甚至可以用它来寻找高频引力波。”

对轴子的搜索最初将以衰减的操作模式开始，简化了对可能错误地指示轴子存在的“背景光”的搜索。该实验预计在2023年下半年实现全灵敏度。镜子系统将在2024年升级，稍后还可以安装替代光探测器。

科学家们预计将在2024年公布ALPS的第一批结果。Lindner坚信，“即使我们没有用ALPS发现任何轻粒子，该实验也会将超轻粒子的排除极限改变1000倍。”

在目前寻找轴子之后，研究人员已经在制定计划。例如，他们想使用ALPS来查明磁场是否会影响光在真空中的传播，正如欧拉和海森堡几十年前所预测的那样。研究人员还想利用实验装置来探测高频引力波。

什么是轴子?

轴子是假设的基本粒子。它们是理论物理学家RobertoPeccei和他的同事HelenQuinn在1977年提出的物理机制的一部分，目的是解决强相互作用问题——自然界的四种基本力之一。1978年，理论物理学家FrankWilczek和StevenWeinberg将一种新粒子与这种Peccei-Quinn机制联系起来。

因为这个粒子会“清理”这个理论，Wilczek在洗涤剂之后将其命名为“轴子”。粒子物理学标准模型的许多不同扩展预测了轴子或类轴子粒子的存在。如果它们确实存在，它们将解决目前困扰物理学家的一系列问题，包括成为暗物质基石的候选者。根据目前的计算，这种暗物质在宇宙中的含量应该是普通物质的五倍左右。

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