目前对暗物质的确切性质知之甚少，一些最有希望的暗物质候选者是极轻的玻色子粒子，如轴子，轴子状粒子，甚至暗光子。这些也可以被认为是以一定频率振荡的经典场。但科学家还不能给出这个频率的数值，也就是粒子的质量。这就是为什么在卡斯珀研究项目中，研究人员正在系统地研究不同的频率范围，寻找暗物质的线索。巴克的团队正在通过宇宙轴自旋进动实验(Casper)寻找暗物质。
Casper小组在美因茨Johannes Gutenberg大学(JGU)和美因茨Helmholtz研究所(HIM)的Prisma+Cluster of Excellence进行实验。Casper是一个国际研究项目，使用核磁共振技术来识别和分析暗物质。Casper团队正在开发特殊的核磁共振(NMR)技术，每项技术都针对特定的频率范围，因此针对特定范围的暗物质粒子质量。
核磁共振一般依赖于这样一个事实，即核自旋对特定共振频率下振荡的磁场做出反应。谐振频率是通过第二个，通常是静态磁场来调节。卡斯珀研究计划的基本思想是，暗物质场可以以同样的方式影响核自旋。当地球穿过这个磁场时，核自旋的行为就好像他们会经历一个振荡的磁场，从而产生暗物质诱导的NMR光谱。
在目前的研究中，第一作者Antoine Garcon和同事使用了一种更奇特的技术：零到超低场(ZULF)NMR。通讯作者John W.Blanchard博士说：零到超低场(ZULF)NMR提供了一种核自旋相互作用比它们与外部磁场更强的相互作用机制。为了使自旋对暗物质敏感，只需施加一个非常小的外部磁场，这就更容易稳定了。
此外，研究人员首次检查了关于暗物质诱导边带的13C-甲酸ZULF NMR谱，采用一种新的分析方案在多个测量中相干平均任意频率的边带。这种特殊形式的边带分析，使科学家能够在新的频率范围内搜索暗物质。没有检测到暗物质信号，正如Casper团队在新一期《科学进展》中报道的那样，这使得作者可以排除超轻暗物质的耦合超过特定阈值的可能性。与此同时，这些结果提供了暗物质谜团的另一部分，并补充了卡斯珀项目先前的结果。
当时科学家们使用另一种名为共磁法的专门NMR方法探索了更低频率。就像拼图游戏一样，在Casper程序中组合了不同的部分，以进一步缩小暗物质搜索的范围。这只是第一步，目前科学家们正在实施几个非常有希望的修改，以增加实验的敏感性。暗物质这种看不见的物质占宇宙物质的80%以上，是现代物理学最基本的奥秘之一。超轻玻色子，如轴子，轴子状粒子，或暗光子可能构成大部分暗物质。
这种玻色子和核自旋之间的耦合可以通过核磁共振(NMR)光谱学实现它们的直接检测：当核自旋穿过银河系暗物质晕时，它们与暗物质耦合，表现得就像处于振荡磁场中，产生暗物质驱动的NMR信号。作为宇宙轴子自旋进动实验(Casper)的一部分，基于NMR的暗物质搜索，研究使用超低场NMR来探测轴子-费米子“风”耦合和暗光子耦合到核自旋。在背景之上没有检测到暗物质信号，为质量从1.8×10^−16到7.8×10^−14 eV的暗物质玻色子建立了新的实验界限。
博科园｜研究/来自：美因茨大学
参考期刊《科学进展》
DOI: 10.1126/sciadv.aax4539
发表于 2020-9-29 00:43
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