1977年，人們提出軸子這一類基本粒子是強(qiáng)電荷宇稱（CP）這一理論粒子物理學(xué)問題的解決方案。之后，人們發(fā)現(xiàn)該粒子其實(shí)可能是暗物質(zhì)的一個(gè)組成部分。目前許多實(shí)驗(yàn)活動(dòng)正在開展，都希望最終能探測到軸子。本篇博客中，我們將聚焦軸子暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)（ADMX），該實(shí)驗(yàn)嘗試通過微波諧振腔來達(dá)成這一目標(biāo)。

　　探測難以捕捉的粒子

　　探測軸子似乎非常有挑戰(zhàn)性。人們認(rèn)為該粒子類似于鬼粒子，它與普通物質(zhì)的相互作用非常微弱，且質(zhì)量非常低。不過，目前也有一些備受矚目的實(shí)驗(yàn)希望能探測到這一難以捕捉的粒子。其中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)嘗試通過將包含光子的激光束置于一個(gè)9 特斯拉的磁場中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“將光穿過墻壁”。另一個(gè)實(shí)驗(yàn)嘗試通過一種特殊的望遠(yuǎn)鏡來努力找出太陽中產(chǎn)生的軸子。此外，還有一個(gè)實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是在微波諧振腔中探測一個(gè)假定存在的極小功率源。

　　設(shè)計(jì)軸子探測實(shí)驗(yàn)中的挑戰(zhàn)

　　設(shè)計(jì)軸子探測實(shí)驗(yàn)所面臨的主要挑戰(zhàn)包括：沒有人知道粒子的質(zhì)量，以及它與普通粒子間的耦合到底有多弱。事實(shí)上，所預(yù)測的質(zhì)量范圍跨越了多個(gè)數(shù)量級(jí)（從1 μeV 到1 eV）。出于理論和天體物理方面的考慮，目前認(rèn)為該范圍之外質(zhì)量的可能性較小。此外，我們所稱的耦合常數(shù)，即確定多少軸子會(huì)與普通物質(zhì)相互作用，也是未知的。一些軸子實(shí)驗(yàn)是基于這樣的預(yù)測前提，即置于強(qiáng)磁場中時(shí)，軸子和光子會(huì)相互轉(zhuǎn)換。所預(yù)測的較大質(zhì)量范圍隨即被解讀在一定頻率范圍中探測電磁輻射或光子。每個(gè)小組都希望能在某個(gè)可能的質(zhì)量和耦合常數(shù)范圍內(nèi)找到軸子，并據(jù)此構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)設(shè)備。基于所預(yù)測的軸子屬性，他們用到了完全不同的技術(shù)。

　　軸子暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)（ADMX）

　　華盛頓大學(xué)的實(shí)驗(yàn)物理和天體物理學(xué)中心開展了軸子暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)（ADMX）。實(shí)驗(yàn)中用到了一個(gè)置于大型超導(dǎo)磁體中的圓柱形微波諧振腔。如果軸子的質(zhì)量很小，就可以在微波諧振腔中以微波的形式被檢測到。實(shí)驗(yàn)可以探測到1 μeV 至10 μeV 范圍的低質(zhì)量軸子。相對(duì)于重量為0.5 MeV 的電子，該質(zhì)量可謂非常小，或者說，電子的質(zhì)量為軸子的1 萬億倍。ADMX 需要能夠探測到非常微弱的功率峰值，這幾乎是實(shí)驗(yàn)設(shè)備所無法滿足的一個(gè)要求。