从光子碰撞中产生轴子

作者：Matteo Rini 来源：中国数字科技馆

图片来源：美国物理学会/Alan Stonebraker

轴子是一种比电子轻很多的假想粒子，对轴子的研究可能是解决从物质-反物质不对称性到暗物质性质等物理难题的关键。到目前为止，对于研究这些粒子的性质，例如其质量及与光子耦合的方式，最难攻克的阻碍是探测通过光子与太阳内部磁场相互作用而产生的轴子。如今，英国牛津大学的Konstantin Beyer和他的同事们提出了一个实验室规模的强激光束碰撞实验。研究人员指出，对于轴子质量的关键范围，他们的方法将与天体物理学的探测灵敏度一致，但更少依赖于难以检验的轴子产生过程的天体物理模型。

该团队的方案是用于检测轴子的“闪光穿墙”方法（LSW）的一个变种。在“闪光穿墙”方法中，实验人员用一面墙放置在发射器和探测器中间，使探测器不能直接接收到激光光子。强磁场作用下，激光束中极少量一部分光子转变为轴子。新方案中研究小组利用两束激光相互碰撞，通过光子-光子散射过程产生轴子。由于轴子基本不与普通物质发生相互作用，因此可以直接穿过墙壁。穿过墙壁的轴子再次被强磁场转化为可被探测到的光子，进入接收器。

研究人员基于将用于欧洲“极光基础设施”的激光束参数，通过计算证明，此方法的灵敏度至少相当于在太阳中探测质量约1电子伏特的轴子。 他们认为可以从两方面改进这一方案。第一种方案是根据轴子的产生率与光子数呈非线性关系，用更强的激光提高探测的灵敏度。第二种方案为利用可调谐X射线的自由电子束探测潜在轴子质量的更大范围。