理論物理所等研究團隊在軸子探測研究中獲進展

　　隨著希格斯粒子的發現，標準模型已被各種實驗證實。標準模型是物理學杰出的成就之一，但它仍有一些問題，如暗物質和強CP問題等。故標準模型不可能是粒子物理的終極理論。Peccei-Quinn（PQ）機制自然解釋了強CP問題，并預言了軸子。軸子是暗物質候選者，如果質量約為50 μeV，其剩余豐度與目前觀測值相符。軸子及其推廣類軸子與主流超出標準模型的新物理如超對稱理論、大統一理論、超弦理論和暴漲理論等有緊密聯系。故軸子/類軸子是有希望的超出標準模型的新物理，其理論和實驗研究是目前粒子物理前沿研究熱點。此外，Sudbury Neutrino Observatory（SNO）實驗利用中微子與重水的相互作用來探測太陽中微子，其優點是可同時探測標準模型中三種味道中微子并解決太陽中微子問題。

　　中國科學院理論物理研究所研究員李田軍，北京工業大學理學部國際教師Nick Houston，以及理論物理所博士研究生Aagaman Bhusal，創造性地提出利用SNO實驗結果，開展輕型暗物質或長壽命粒子的探測研究，并首先于太陽軸子探測研究中取得進展。

　　太陽軸子產生于質子-質子的二級聚變（Fusion）過程，即質子-質子湮滅產生氘核、正電子和電子中微子，或者質子、質子和電子共湮滅產生氘核和電子中微子，然后質子和氘核湮滅產生氦3核和軸子，其軸子能量約為5.5 MeV。在SNO探測器內，正如1978年諾貝爾獎獲得者Steven Weinberg首先指出的，能量大于2.2 MeV的軸子可以將氘核離解為質子和中子。離解產生的中子平衡之后，中子與氘核湮滅產生氚核和 6.25 MeV的光子，該光子可以被光電倍增管（PMT）觀測到。其背景是中微子與氘核湮滅產生中子、質子和中微子過程。該軸子探測方案優點是不依賴于軸子是否是暗物質候選者，且其結果與模型無關等。

　　利用SNO全部數據，對于質量小于MeV的軸子，李田軍與合作者排除了軸子和核子之間的Isovector Coupling () 大于的參數空間（如圖中藍色區域）并在部分參數空間給出了目前世界上最強的實驗限制，這也是世界上首次對此耦合常數給出直接探測的實驗限制。若該耦合常數中軸子質子耦合常數與軸子中子耦合常數沒有精確相消，該研究結果能夠排除以前實驗如SN1987A和Neutron Star Cooling等沒有排除的相關參數空間。

　　相關研究成果發表在Physical Review Letters上，研究工作得到國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金面上項目、彭桓武理論物理創新研究中心及中科院前沿科學重點研究項目等的支持。

理論物理所等在軸子探測研究中獲進展