你可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)軸子，它是一種假想的粒子，被認(rèn)為可以解決強(qiáng)相互作用的CP問(wèn)題。簡(jiǎn)單地說(shuō)，這個(gè)問(wèn)題就是為什么強(qiáng)相互作用沒(méi)有違反CP對(duì)稱性，即物質(zhì)和反物質(zhì)之間的對(duì)稱性。軸子的存在可以使得強(qiáng)相互作用的CP破壞參數(shù)非常小，從而與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)一致。

軸子有很多種類，其中一種是QCD軸子，它與量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）有關(guān)，即描述夸克和膠子之間的強(qiáng)相互作用的理論。QCD軸子的質(zhì)量和衰變常數(shù)之間有一個(gè)反比關(guān)系，即質(zhì)量越大，衰變常數(shù)越小。衰變常數(shù)決定了軸子與其他粒子之間的耦合強(qiáng)度，也就是說(shuō)，衰變常數(shù)越小，軸子越難被探測(cè)到。

目前，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)都在尋找質(zhì)量很小（小于1電子伏特）的QCD軸子，因?yàn)樗鼈兛梢越忉尠滴镔|(zhì)的起源。然而，也有一些理論模型預(yù)測(cè)了質(zhì)量較大（大于100兆電子伏特）的QCD軸子，它們可以解決軸子質(zhì)量問(wèn)題和軸子品質(zhì)問(wèn)題。這些問(wèn)題涉及到軸子在高能物理中的自然性和穩(wěn)定性。質(zhì)量較大的QCD軸子可以通過(guò)與其他粒子相互作用產(chǎn)生，并且可以衰變成兩個(gè)輕子（如電子或μ子）。

最近，一個(gè)名為ArgoNeuT的實(shí)驗(yàn)在費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了一次前所未有的探測(cè)重型QCD軸子的嘗試。該實(shí)驗(yàn)利用了NuMI中微子束線上的液氬時(shí)間投影室探測(cè)器和MINOS近探測(cè)器的獨(dú)特能力，來(lái)尋找從中微子束靶和吸收器產(chǎn)生并衰變成μ μ?對(duì)的重型QCD軸子。該實(shí)驗(yàn)覆蓋了一個(gè)之前未被探索過(guò)的重型QCD軸子參數(shù)空間區(qū)域，即質(zhì)量在0.2-0.9 GeV之間，衰變常數(shù)在幾十TeV左右。

研究人員利用了2010年2月至2010年9月期間收集的數(shù)據(jù)，對(duì)重QCD軸子進(jìn)行了搜索。他們首先根據(jù)理論模型生成了不同質(zhì)量和衰變常數(shù)的重QCD軸子，并模擬了它們?cè)谔綔y(cè)器中的衰變信號(hào)。然后，他們根據(jù)一系列選擇標(biāo)準(zhǔn)，從數(shù)據(jù)中篩選出可能是由重QCD軸子衰變產(chǎn)生的候選事件。這些標(biāo)準(zhǔn)包括：兩個(gè)μ子徑跡必須在ArgoNeuT或MINOS探測(cè)器內(nèi)開(kāi)始，并且不能與其他粒子相互作用；兩個(gè)μ子必須具有相反電荷；兩個(gè)μ子的不變質(zhì)量必須與假設(shè)的軸子質(zhì)量一致；兩個(gè)μ子的總動(dòng)量必須與假設(shè)的軸子動(dòng)量一致；兩個(gè)μ子必須與束流方向夾角小于10度。經(jīng)過(guò)這些選擇標(biāo)準(zhǔn)后，作者沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何候選事件，這意味著數(shù)據(jù)與沒(méi)有軸子存在的假設(shè)一致。

研究人員進(jìn)一步估計(jì)了數(shù)據(jù)中可能存在的背景事件，即由其他粒子（如π0，K0，η等）衰變產(chǎn)生的類似信號(hào)。他們考慮了兩種主要的背景來(lái)源：一種是來(lái)自束流中的中微子和反中微子與探測(cè)器內(nèi)原子核相互作用產(chǎn)生的中性介子；另一種是來(lái)自束流中的μ子與探測(cè)器內(nèi)原子核相互作用產(chǎn)生的荷電介子。他們利用蒙特卡羅模擬和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估這些背景的貢獻(xiàn)，并發(fā)現(xiàn)它們都非常小，遠(yuǎn)低于一個(gè)事件的水平。

最后，研究人員利用貝葉斯統(tǒng)計(jì)方法，根據(jù)數(shù)據(jù)中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)候選事件的事實(shí)，給出了重QCD軸子的新限制。他們考慮了系統(tǒng)誤差的影響，并給出了95%置信水平下的軸子衰變常數(shù)和質(zhì)量之間的關(guān)系。他們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于0.2-0.9 GeV之間的軸子質(zhì)量，他們可以排除幾十TeV左右的軸子衰變常數(shù)。這是對(duì)這一質(zhì)量范圍內(nèi)重QCD軸子的首次限制，也是目前最強(qiáng)的限制之一。這一結(jié)果為未來(lái)利用LArTPC探測(cè)器對(duì)重QCD軸子進(jìn)行更深入的探索提供了重要的參考。