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轴子(Axion)是为解释量子色动力学(QCD)中的强CP问题而假定的粒子,它被认为是冷暗物质粒子很好的候选者。虽然这种轴子与物质和电磁场的耦合强度很弱,世界上仍然有许多极其精密的实验在探测它。轴子如果被探测到,那么不仅量子色动力学中的强CP问题得到了解决,其结果对于量子场论、粒子物理和宇宙学都将是极有意义的。
本文中回顾了轴子的理论起源和各种轴子模型,以及目前探测轴子的实验现况。同时,我们在量子场微扰论的框架下,推导了轴子与核子以及轴子与光子耦合常数之间的、经重整化修正后的关系式,进而得到了用扭秤检验弱等效原理(WEP)和牛顿反平方定律(ISL)实验经转化归并后给出的轴子质量限。
Maxwell经典电磁理论、狭义相对论、量子电动力学构成了电磁相互作用的基本理论。这些理论的一个重要贡献是将电磁场在真空中的传播速度定义为恒定的光速c,恒定光速暗含了假设传播电磁波的媒介子-光子的静止质量必须为零。而光子静止质量到底是否为零,正是物理学家们一直希望能够正面回答的基本问题之一。迄今所有检验光子静止质量的实验都只是给出光子静止质量的上限。如果有实验证实了光子具有静止质量,即便是非常小,都将为整个物理学的发展产生重大影响。
本文在重电磁场理论背景下,探讨了强场激光偏振法测轴子的高精度实验中光子静质量效应的大小和影响,并与我们实验室2003年调制扭秤实验给出的光子静质量限作了比较. 结果表明:光子静质量效应对轴子质量限的影响很小,同时此实验给出可能的光子质量限精度远小于我们给出的光子静质量限精度,扭秤仍然是目前光子静止质量精密而有效的检测手段.
本研究工作得到国家自然科学基金创新研究群体(批准号:10121503)的资助.