俄罗斯物理学家提出一项实验计划,旨在助力人们理解宇宙重要问题,包括测量电偶极矩(EDM)以及寻找暗物质。来自莫斯科物理技术学院、莫斯科国立核能研究大学、俄罗斯科学院核研究所、俄罗斯科学院朗道理论物理研究所和联合核研究所的科学家参与了此项研究。

核子加速器是联合核子研究所的核心设施,为超导加速器,环形加速器周长251米,专为加速重离子和原子核的实验设计。加速器的升级将使探测电偶极矩成为可能,有助于理解宇宙大爆炸后物质为何占据主导地位,同时扩大对被视为潜在暗物质粒子的轴子的搜寻范围。
测量电偶极矩需一束相干偏振光束,此前世界各地方案都要求设计复杂、专用且昂贵的装置。而此次俄罗斯科学家提出的解决方案是将磁场和电场分离到加速器的不同部分,所需设备可安装在核子加速器隧道内,无需新建设施。一篇描述该加速器升级方案的文章已发表在《原子核物理学》上。
此次改造将使核子加速器能够同时执行两项任务:作为2025年投入使用的新巨型装置NICA对撞机的有效加速注入器(增压器),同时保持其作为独立实验设施的地位,用于寻找新的物理现象。
该项目作者之一、莫斯科物理技术学院加速器物理实验室初级研究员、俄罗斯科学院核研究所研究生谢尔盖·科洛科尔奇科夫解释,为应对挑战,提议升级核子加速器的磁光结构,在实现NICA对撞机增强器主要功能外,还能实现极化控制和维持,以及开展寻找轻核(氘核和质子)电偶极矩的实验。
据他介绍,拟议升级方案将涉及以约6 - 8 GeV的较低能量运行核子加速器环,既能在270 MeV的低能量下进行寻找电偶极矩的基础实验,又能保持该设施作为NICA对撞机极化束加速器的功能。
他还称,现代化改造的关键是创造足够空间容纳直维恩滤波器,这通过缩短核子加速器中弯转磁铁总长度,并将弯转磁铁中的磁场强度提高到1.8特斯拉来实现。
在核子加速器上部署维恩滤波器(使电场和磁场垂直相交的装置),可使准冻结自旋概念成为可能,从而测量电偶极矩并寻找轴子。维恩滤波器允许在不改变束流能量的情况下控制粒子的自旋,补偿自旋偏差以探测电偶极矩信号。
如果轴子存在,会在自身周围产生微弱赝磁场,穿过加速器时会引起粒子自旋振荡,通过分析这些振荡就能探测到轴子。因此,配备维恩滤波器的升级版核子加速器可作为探测暗物质的宽带天线。