问题描述

磁单极子以及轴子等新粒子，是目前对于超出粒子物理标准模型新物理搜寻的主要目标之一，是粒子物理领域的重大科学前沿问题。过去几十年通过众多的实验手段，国际上相继开展了多个搜寻实验，都还没有发现这些新粒子的迹象。在深空环境中利用新型探测手段对于这些新粒子的搜寻，将能提高对于此类新粒子探测的灵敏度，填补空白。

问题背景

磁单极子是粒子物理领域内提出已久的不被包含于目前标准模型中的一种新粒子，它是一种带有单极磁荷的独特粒子，至今为止还没有找到可靠的实验探测证据。磁单极子最早由狄拉克在1931年提出，并证明狄拉克构型下的磁单极子如果存在，粒子物理领域至今没有能得到解释的电荷量子化问题就可以得到很好的解答。而更近代被提出的超标准模型理论（大统一理论）认为如果统一强与电弱相互作用，可以很自然地解释电荷量子化，并且预言会存在有稳定的磁单极子产生于强相互作用与电弱作用分离的时刻，这样的磁单极子（GUT磁单极子）大多应该在宇宙大爆炸之后极短的时间内产生。

暗物质是宇宙学中被认可的宇宙中物质的主要存在形式，被许多天文观测所证实；但是我们对于它的本质是什么还是一无所知。轴子是非常可能的一种暗物质的候选粒子，它的质量在

最新进展（截止问题发布年度）

磁单极子的探测实验，主要可以归类为2种：1）深地低本底实验，以及2）磁感应探测。

深地低本底实验在深底实验室开展，利用实验室周围天然屏蔽阻挡地球上无处不在的宇宙射线本底，从而实现低本底环境利于磁单极子事例这样极稀有物理过程的搜寻。目前给出对高速磁单极子最好通量限制的两个实验分别是意大利的MACRO实验以及南极的冰立方IceCube实验。深底实验通常需要非常严苛的实验室屏蔽环境（几千米以上的等效水深），同时实验结果受本底估计的系统误差影响较大,并且探测到的信号也可能被阐述为其他奇异粒子留下的信号；此外，深地实验通常只对特定速度以上的高速磁单极子敏感。

对于磁单极子磁感应信号的探测，通常被认为是一种可以对磁单极子存在给出“铁证”的探测方式。因为磁单极子带有独有单一磁荷的特点，它穿越时产生的磁通量变化是与任何已知标准模型粒子都不同。实验上，对于磁单极子感应信号的寻找通常使用超导线圈，这样可以尽可能最大化保留磁单极子穿越时留下的微弱感应电流。使用超导线圈探测磁单极子固然可以得到置信度较高的信号特征，并且也基本对全速度范围内磁单极子都有灵敏度；但是其高昂的造价以及非常严苛的运行环境（超导温度），也限制了使用此类方式进行探测的实验体量。

综上所述，现有的磁单极子探测手段各有特点也都各有劣势：深地低本底实验在低速磁单极子探测上缺乏灵敏度，并且得到的信号不具备独特性，探测结果受本底估计系统误差影响较大；对于磁感应信号探测，实验体量受限于超导线圈严苛的运行环境。

同时，对于轴子的探测有多种方式，主要都是探测轴子与电磁场的耦合信号,有利用真空谐振腔探测轴子转变的微波，有用激光穿墙探测墙对面的“隐形”光子等等。其中，基于高敏磁力计这一量子传感器的轴子探测，对于10-750 feV的轴子有着国际领先的灵敏度。

新粒子的搜寻是对于极为稀有物理过程的搜寻，对于探测器体量、本底、噪声水平以及信号灵敏度都有着极高的要求，同时平衡这几项的贡献达到较高灵敏度，是实验的关键。

优越性：

深空环境相比我们日常熟知的地面环境，是一个全新的物理环境，在其中探测它的粒子成分，包括可能的新粒子，本身就是一个重要的物理课题。在深空利用量子粒子符合测量开展对于磁单极子以及轴子的新型探测，相比已有的地面实验更有着独有的优势：

1.利用粒子探测器与量子传感器间的符合测量可以规避高灵敏磁单极子探测所需的低本底和低温环境，使得在深空辐射环境中对于磁单极子探测成为可能；

2.深空环境的磁噪声水平相比地面环境低了几个数量级，对于利用量子传感器来探测磁单极子和轴子的弱磁信号来说极为有利；

3.地面环境由于有着大气、岩石以及地磁屏蔽，潜在的非GUT机制产生的低速低质量磁单极子，可能无法到达地面探测器。深空探测除了对GUT磁单极子敏感外，也能对于非GUT机制来源的磁单极子进行探索。

4.轴子暗物质由于可能有非常低的质量，对于它的来源估计，需要用到多台相距极远的探测器对轴子波进行溯源。溯源精度直接取决于探测器间距离（基线）。在深空布置量子传感器联合地球上同类探测器形成的探测网，拥有最长的基线，可以对极低质量轴子进行溯源。

重要意义

如果成功探测到磁单极子，将会对解释电荷量子化来源给出极为直接的线索，对验证大统一理论起关键作用；同时磁单极子可以作为重要探针，帮助理解宇宙最早期暴涨时期演化。如果成功探测到轴子，将能解决长期以来的疑问：暗物质究竟是什么？通过它也可以探测宇宙大尺度下暗物质分布，对于宇宙演化的理解极为关键。