麻省理工学院的研究人员最近发表了一项旨在通过探测电磁波的轴子双折射来寻找轴子暗物质的实验的第一批结果。虽然这些发表在《物理评论快报》上的发现并没有导致观测到与这些假设的暗物质粒子相关的信号，但他们建立了一种使用可调谐光学腔来搜索轴子的新技术。
“这个实验是在2019年由我们实验室和麻省理工学院理论物理中心的同事合作提出的，当时我们正在考虑寻找一种名为轴子的假想暗物质粒子的新方法，”麻省理工学院LIGO实验室的研究科学家埃文·霍尔告诉Phys.org。
“轴子和标准物质之间的任何可观测到的相互作用预计都非常微弱。我们意识到，试图寻找微弱信号的问题与探测引力波的问题非常相似，引力波是最近才探测到的另一种非常微弱的信号。”
经过各种理论讨论和考虑，霍尔和他的同事们意识到，LIGO实验目前用于探测引力波的激光和光学工具可以重新用于进行轴子搜索。这就产生了轴子暗物质双折射腔（ADBC）实验，该实验于2022年首次开始收集数据。
霍尔解释说：“我们想通过实验证明如何使用这些工具来完成轴子搜索。”“光有两种偏振——水平和垂直。轴子，如果存在的话，预计会把一种极化转换成另一种极化。在我们的实验室里，我们使用激光产生垂直偏振光，我们寻找轴子将一些光转化为水平偏振光的任何线索。”
ADBC实验所依赖的探测器由4个镜子组成，这些镜子排列成一个光学腔（即一种捕获光的结构）。这个光学腔储存和循环来自激光的光束数千次，这将增强微弱的轴子信号。
在实验的第一阶段，霍尔和他的同事们使用探测器寻找质量在50 neV（约10-40克）左右的轴子。值得注意的是，英国的另一个研究小组最近一直在寻找质量在2nev左右的轴子，他们使用的仪器与麻省理工学院使用的仪器类似。
麻省理工学院四年级博士生Swadha Pandey说：“我们的工作表明，这种新型空腔可以调整，以扩大可以搜索的轴子质量的可能范围。”
“具体来说，我们证明了可以通过调整四个镜子的角度来调节腔体。可调性是使仪器对暗物质搜索有用的一个重要标准。由于没有人知道轴子的质量是多少，我们需要在更大范围内搜索可能的质量。”
ADBC实验的第一个结果对类轴子粒子和光子的耦合进行了限制。虽然到目前为止他们还没有探测到轴子，但他们可以激发更多的研究努力，旨在利用光学腔探测这些假设的暗物质粒子，这可能有助于他们的实验发现。
潘迪补充说：“在证明了这种方法可以适用于大范围的轴子质量之后，下一步将是建立一个更大、更敏感的实验。”
“这样的实验将使用更多的激光，以便有更多的光子与轴子相互作用，并且实验将更大，以增加光子与轴子相互作用的时间。”调谐机制的自动化和镜面涂层的巧妙设计对于扫描整个可用轴子质量范围也是必不可少的。”
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