西安交大科研人员在暗物质轴子探测方面取得重要进展

暗物质是浩瀚宇宙中一种神秘的存在，占宇宙全部物质总质量的85%，占宇宙总质能的26.8%，主导了宇宙结构的形成。人类观测到的可见物质只占整个宇宙总质能的4%，而这些可见物质主要以正物质形式存在，大约138亿年之前与之数量相等的反物质已经几乎消失的无影无踪（所谓反物质就是正常物质的反状态，比如正电子和负质子/反质子就是通常所说电子和质子的反粒子；正反物质相遇就会湮灭化为能量，反之能量也能转为等量的正反物质）。这是现代物理学和宇宙学模型给我们描绘的宇宙图像，这些描绘中仍有大量的未解之谜：暗物质从何而来、其构成是什么？正反物质成对出现，为什么反物质“丢失”了？

回答这些未解之谜，需要探索和研究轴子。轴子(Axion)是粒子物理学及天文学宇宙模型中假想的暗物质基本粒子之一，这种粒子呈电中性，质量非常轻（微电子伏特量级）、相互作用极弱。然而，正是这渺小和微弱的轴子却可能引发量子色动力学（QCD）的电荷自旋CP对称性破缺问题，从而成为帮助物质“打败”反物质的“幕后功臣”。因此，轴子已经成为众多物理学家近半个世纪以来孜孜以求、不懈追寻的“梦幻粒子”。

西安交通大学领军学者Dieter H.H. Hoffmann教授就是众多追寻“轴子”踪迹的物理学家之一。Hoffmann教授作为欧洲核子中心太阳轴子望远镜（CERN Axion Solar Telescope, CAST）探测方案主要提出者和CAST项目主要发起人之一，与CAST团队人员对太阳轴子进行了长达二十年的观测研究（参看图1及《科学》杂志论文K. Zioutas, D. Hoffmann, K. Dennerl and T. Papaevangelou, “What Is Dark Matter Made of”, SCIENCE,306 (2014) 1485）。

图 1. 欧洲核子中心太阳轴子望远镜原理及装置图(图片来源：欧洲核子中心)

近期CAST项目团队在轴子质量（能量）探测方面取得了重要进展。团队基于强磁场下太阳轴子可转化为伽马射线的原理，结合先进的粒子探测技术，将轴子质量的探测范围扩展至19.74 μeV至22.47 μeV，通过分析2019年至2021年期间长达4124个小时的观测结果，排除了轴子质量在此范围内的可能性，结论的置信度可达90%，该成果同时为在更广泛参数范围内探测轴子存在可能性提供了数据和技术支撑。

相关结果于2022年10月19日以《欧洲太阳轴子望远镜探寻暗物质轴子》（“Search for Dark Matter Axions with CAST-CAPP ”）为题发表于《自然通讯》(Nature Communications)，Dieter H.H. Hoffmann教授为论文共同作者（作者按照姓名首字母排序），西安交通大学为共同完成单位。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-33913-6

Dieter Heinz Hermann Hoffmann（中文名：霍迪），1950年4月出生，西安交通大学物理学院全职教授，西安交通大学激光与粒子束科学技术研究所学术带头人，曾担任国际反质子与重离子研究中心高能量密度科学国际合作委员会发言人，CERN-CAST暗物质观测项目国际合作委员会的创始成员。现任Laser and Particle Beams（剑桥大学出版社）荣休主编、Matter and Radiation at Extremes国际客座主编等学术职务。主要从事高能密度物理与聚变科学、辐射与物质的相互作用以及暗物质科学研究，在国际知名学术刊物发表论文400余篇，h指数为45。获2019年度“中国政府友谊奖”、陕西省“三秦友谊奖”。

激光与粒子束科学技术研究所主页：http://istlpb.xjtu.edu.cn/