自20世纪60年代以来，通过天体物理学和宇宙学观测，已有大量证据支持暗物质的存在，目前我们对它的存在非常有信心。但问题仍然存在：暗物质实际上是由什么构成的?

Axions：合二为一的解决方案?

几十年来，暗物质的候选者不断涌现，例如弱相互作用大质量粒子(WIMP)、中微子和原初黑洞。像弱相互作用粒子这样的候选粒子最初被理论化，因为它们具有解决物理学其他部分问题的特性。另一种可以回答一些棘手物理问题的候选者称为轴子。

轴子最初被理论化为解决强CP问题的粒子物理问题，但物理学家也意识到轴子的产生方式可以满足其成为暗物质的要求。这些是DMRadio实验寻找的粒子。

轴子检测方案

当我们提出粒子物理学的新理论时，我们试图解决现有问题而不产生新问题。就轴子而言，我们解决了强CP问题，同时仍然确保我们的理论遵守狭义相对论、标准模型和其他已确立的物理学事实。粒子物理学的新模型预计会以各种可能的方式与我们已建立的模型相互作用，只要这些相互作用不破坏我们原来的理论。

对于轴子来说，这意味着虽然它们可以解决强CP问题，但它们也可以做更熟悉的事情，使我们更容易检测到它们;也就是说，当它们在太空中遇到磁场时，有时可能会与其相互作用产生电场。

当这个过程发生时，我们实际上可以将轴子产生的电场视为看起来像以某种频率振荡的电流。当然，由于暗物质与我们所知的一切相互作用都很弱，因此预计该电流将非常非常小;大约比普通灯泡小1016倍。

那么，我们实际上如何测量这个电流呢?

我们制造的设备如果电流在其内部就会产生共振——这些设备看起来像电路或金属腔。例如，如果你用手拉紧吉他弦，它就会振动;如果你用手拉紧吉他弦，它就会振动。但如果你把那根弦放在吉他的琴体上，琴体就会产生共鸣，使声音变得更大。同样，我们构建了谐振器，它在很多方面看起来像电路，这使得我们的(电磁)信号更加响亮。

数字广播电台

在DMRadio中，我们进行了三个实验，寻找不同频率范围(有一些重叠)的轴子;这些实验是DMRadio-50L、DMRadio-m3和DMRadio-GUT。前两个实验的名称指的是探测器的大致体积(分别为50升和一立方米)，而GUT指的是大统一理论，该理论可能负责实验可以检测到的轴子类型。

对于DMRadio-50L，我们使用环形磁铁来产生磁场(图2中的B0)，这意味着轴子随后会产生在环路中流动的振荡电流(Jeff)。至此，问题已简化为经典电动力学问题：我们如何检测到在圆周上振荡的非常小的电流?

为了测量这个信号，我们首先在磁体周围包裹一个超导护套，轴子感应电流可以流过该护套。然后，在环形护套的中心，我们放置一个电感器，用于拾取Jeff产生的磁通量。虽然这种设置理论上会拾取我们的轴子信号，但我们通过将可调电容器连接到电感器来增强信号;这使得电路谐振并且可调谐。最终，我们自己的实验室生产的直流SQUID或射频量子上变频器等传感器会拾取轴子信号。

DMRadio-50L目前正在斯坦福大学校园物理和天体物理大楼的地下室进行组装，很快就会开始采集数据。它将覆盖的频率范围是5kHz–5MHz，对应于质量为20peV/c2–20neV/c2的轴子;也就是说，比电子轻20万亿倍以上(这些质量对应于图1中的黄色区域)。虽然这对最有希望的轴子候选者(称为QCD轴子)不敏感，但它将搜索尚未被任何其他实验探测过的轴子。

DMRadio-m3虽然在相同的假设下运行，但具有不同的几何形状(图3)。我们现在不再使用环形磁铁，而是使用螺线管磁铁，其中磁场主要垂直指向磁铁内部，这意味着轴子电流也指向同一方向。然后，我们构建了一个同轴拾音器，轴子的磁通量在其上感应出电流。然后，我们再次使用电容器调整该结构的谐振。该实验正在SLAC国家实验室进行，将寻找比DMRadio-50L质量更高的轴子，即质量为20–830neV/c2的轴子(图1中的绿色区域)，并且还将具有发现QCD轴子的能力。

这些实验将使我们能够在以前从未见过的地方寻找轴子，同时也使我们能够测试新的量子设备。我们是否找到轴子和暗物质当然是未知的，但无论如何，我们在设计和操作DMRadios时一定会学到很多东西。

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