磁单极子和轴子搜寻入选科协2023十大重大科学问题

来源：深空探测实验室

      实验室深空科学研究院林箐提出的 “利用新型符合测量方式能否搜寻磁单极子和轴子暗物质的存在？”入选2023十大重大科学问题。

磁单极子是否存在            轴子与光子相互作用

     为落实习近平总书记“科技攻关要坚持问题导向”的指示精神，引导科技共同体识别挑战与机遇，把握科技发展趋势和学科前沿发展方向，2023年10月22日，中国科协在第二十五届中国科协年会主论坛上隆重发布2023重大科学问题、工程技术难题和产业技术问题。其中实验室提出的“利用新型符合测量方式能否搜寻磁单极子和轴子暗物质的存在？”入选十大前沿科学问题。

      实验室面向世界航天科技前沿和国家航天强国战略需求，积极引导各研究院针对深空探测领域的战略性、前瞻性、基础性问题，开展原创性、引领性攻关。随着我国深空探测和量子精密测量技术的快速发展，实验室相关研究团队在国际上首次提出一种结合量子传感器和粒子探测器的新型符合测量新方法，有望突破目前基于感应信号探测给出的通量上限，实现磁单极子电离信号探测低本底和室温下感应和电离信号符合探测。

      未来通过部署到国际月球科研站，可以帮助避免低速低质量磁单极子被地球磁场屏蔽，并与地面探测装置形成地月超长基线探测网络，可实现部分轻暗物质和轴子模型下大尺度空间结构的探测。

新型符合测量概念图        地球-月球超长基线探测网络

​利用新型符合测量方式能否

    搜寻磁单极子和轴子暗物质的存在？   

     宇宙的起源和宇宙物质的基本组成是当前最基本、最前沿的科学问题。粒子物理标准模型成功地描述了绝大多数物理实验现象，但仍有一些现象无法解释，这预示着可能存在超出人类现有知识边界的新物理。“大统一”理论等超越标准模型理论预言了磁单极子和轴子等新粒子的存在，对其搜寻是目前研究新物理的重要实验手段，相关突破将开启物理学新篇章。目前能找到磁场的最小单元是磁偶极子，磁单极子是理论上提出带有单极磁荷的新粒子。轴子是暗物质中最有可能的候选粒子之一，可解释强相互作用中宇称电荷守恒的问题，但现有理论对于轴子的质量及其与物质相互作用的并没有一个统一的答案。

     在过去几十年，国际物理界已建设了多个重大实验设施来搜寻相关新物理粒子。针对磁单极子，开展了深地粒子探测和超导线圈等搜寻实验，但至今没有探测到。对中低速磁单极子最灵敏限制，是2004年意大利开展的MACRO粒子实验得到的。其结果只能接近宇宙学观测给出的磁单极子通量上限，无法触及最可能存在的通量范围，且无法探测被地磁屏蔽的低速低质量磁单极子。针对轴子暗物质，现有手段对于超轻暗物质大尺度结构探测灵敏度极低，不能提供关于较大尺度空间结构的信息。

深地探测                                 超导线圈实验

“国际轴子观测站”