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世界上最敏感的模型独立实验，用于寻找特别轻的粒子，暗物质可能由暗物质组成，今天在DESY以“穿过墙壁的光”实验ALPS II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，到目前为止，还没有人能够识别这种物质的颗粒;ALPS实验现在可以提供这样的证据。

ALPS(任何光粒子搜索)实验，总长度为250米，正在寻找一种特别轻的新基本粒子。使用来自HERA加速器的二十四个回收超导磁体，强激光束，精密干涉测量和高灵敏度探测器，国际研究小组希望寻找这些所谓的轴子或轴子状粒子。

这些粒子被认为与已知种类的物质的反应非常微弱，这意味着它们在使用加速器的实验中无法检测到。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，然后再次转化为光。

(资料图片仅供参考)

“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，我们现在能够首次在国际合作中实现ALPS II，“DESY粒子物理总监Beate Heinemann说。

DESY董事会Helmut Dosch补充说：“DESY为自己设定了解码所有不同形式的物质的任务。因此，ALPS II完全符合我们的研究策略，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送高强度激光束，该真空管长约120米，其中光束前后反射，并由十二个HERA磁铁包围成一条直线。如果一个光子在强磁场中变成一个轴子，这个轴子就可以穿过磁铁线末端的不透明壁。

一旦穿过墙壁，它将进入另一个几乎与第一个相同的磁轨。在这里，轴子可以变回光子，最后被探测器捕获。这里设置了第二个光学谐振器，将轴子变回光子的概率增加了10，000倍。

这意味着，如果光线确实到达墙后，它一定是介于两者之间的轴子。“然而，尽管我们有很多技术技巧，但光子变成轴子并再次返回的可能性非常小，”DESY的项目负责人兼ALPS合作发言人Axel Lindner说，“就像掷33个骰子一样，它们都是一样的。

为了使实验真正发挥作用，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。光镜系统的精度也破纪录：镜子之间的距离必须保持恒定，相对于激光波长在原子直径的几分之一以内。

而超导磁体，每块九米长，在真空管中产生5.3特斯拉的磁场，是地球磁场强度的100万倍以上。这些磁铁取自HERA加速器000.6公里长的质子环，并为ALPS项目进行了升级再造。磁铁最初在内部弯曲，必须为实验拉直，以便它们可以存储更多的激光;在零下3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实验最初是由DESY理论家Andreas Ringwald提出的，他也通过扩展标准模型的计算来支持实验的理论动机。Ringwald说：“实验和理论物理学家为ALPS密切合作。结果是一个具有发现轴子的独特潜力的实验，我们最终甚至可能用它来搜索高频引力波。

寻找轴子最初将以衰减操作模式开始，从而简化了对可能错误地指示轴子存在的“背景光”的搜索。该实验将于2023年下半年达到完全灵敏度。镜面系统将于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确信，“即使我们没有发现任何带有ALPS的光粒子，实验也会将超轻粒子的排除极限改变1000倍。

总体而言，约有30名科学家加入了国际ALPS合作。他们来自七个研究机构：除了DESY，马克斯普朗克引力物理研究所(阿尔伯特爱因斯坦研究所)，汉诺威莱布尼茨大学引力物理研究所，卡迪夫大学(英国)，佛罗里达大学(美国佛罗里达州盖恩斯维尔)，美因茨的约翰内斯古腾堡大学，汉堡大学和南丹麦大学(欧登塞)都参与其中。

研究人员已经在为目前寻找轴子之后的这段时间制定计划。例如，他们希望使用ALPS来确定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预测的那样。研究人员还希望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罗伯托·佩切(Roberto Peccei)和他的同事海伦·奎因(Helen Quinn)于1977年假设的物理机制的一部分，目的是解决强相互作用的问题 - 自然界的四种基本力量之一。1978年，理论物理学家Frank Wilczek和Steven Weinberg将一种新的粒子与Peccei-Quinn机制联系起来。

由于这种粒子会“清理”理论，Wilczek以洗涤剂命名为“轴子”。粒子物理学标准模型的许多不同的扩展预测了轴子或轴子样粒子的存在。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，包括成为暗物质构建块的候选者。根据目前的计算，这种暗物质在宇宙中的丰富度应该是正常物质的五倍左右。

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