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雄心勃勃的新狩猎暗物质实验交付第一批成果

(2024-04-07 09:53:40)

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雄心勃勃的新狩猎暗物质实验交付第一批成果

By Robert Lea

224/4/5

“如果你把它想象成一台收音机，搜索暗物质就像调整表盘来搜索一个特定的电台一样。我们的方法就像一个扫描10万个电台一样” 。

一幅轴子探测宽带反射器实验（Bread）实验相对一个暗物质的仿真图。(Image credit: BREAD Collaboration /Ralf Kaehler/SLAC National Accelerator Laboratory)

一项被设计来搜索宇宙的最神秘的“物质”暗物质的新实验已经交付了它的第一批结果。

虽然由芝加哥大学和美国能源部费米实验室开发的轴子探测宽带反射器实验（BREAD）已经只是还没有折腾出暗物质粒子，但新的结果在科学家能期望这些粒子有的特性类型上放上更紧的约束。轴子探测宽带反射器实验实验本身也服务一种令人兴奋的可被用于狩猎暗物质的新配方——一种相对便宜、不占用大量空间的配方。

轴子探测宽带反射器实验采用“宽带”方法来比其他实验跨更大的可能性集合搜索叫“轴子”的假想暗物质粒子和相关的“暗光子”，尽管精度略低。

芝加哥大学科学家、轴子探测宽带反射器实验项目联合负责人大卫·米勒在一份声明中说，“如果你把它想象成一台收音机，搜索暗物质就像调整表盘来搜索一个特定的电台一样，除了有一百万个频率要检查通过。我们的方法就像一个扫描10万个电台一样，而不是几个很彻底地的” 。

一个来解决大问题的小实验

对科学家暗物质一个巨大的问题，因为尽管暗物质约占宇宙中物质的85%而且它的影响阻止星系随它们旋转飞散开，但我们几乎不知道它是由什么组成的。

这部分是因为暗物质效果上是不可见的；它似乎不与光相互作用，既不发射也不反射标准光子。这种缺乏电磁相互作用提示暗物质不是由包含像恒星、行星、卫星、我们的身体和隔壁的猫等“正常物质”的质子、中子和电子组成。

尽管我们的望远镜不能直接的探测到暗物质，但暗物质确实经由它的与引力的相互作用影响恒星、星系和甚至光。因此天文学家能告诉有某些东西在那里——他们只是不知道它是什么。知道要寻找什么和确切的在哪里看是另一回事。

米勒说，“我们非常有信心有些东西在那里，但它可以采取许多许多种形式”。

这种混乱已经发送科学家们到狩猎可能包含暗物质的有奇怪属性的不同粒子上。其中一个这样的候选者是轴子，一种假想的有一个极小质量的粒子。如果轴子存在，它们可能会与一个所谓的暗光子相互作用，就像日常物质与“普通”光子相互作用一样。在某些情况下这种相互作用偶尔会促使一个可见光子的创造。

轴子探测宽带反射器实验暗物质实验的组成。(Image credit: BREAD Collaboration)

轴子探测宽带反射器实验是一种能适合放在一个桌面上的弯曲金属管形状的同轴碟形天线。该实验被设计来捕捉光子并将它们溜到一端的一个传感器来搜索可能的轴子的一个子集。

全规模的轴子探测宽带反射器实验实验将看到设备放置在一个强磁场内，该团队说这将增加轴子转化为光子的机会。作为一个原理的证明，该团队进行了一项减去需要来产生这种磁场的磁铁的轴子探测宽带反射器实验实验。

原型轴子探测宽带反射器实验实验在芝加哥大学进行了一个月并提交了一些有趣的数据，磨练团队的全规模实验的胃口。测试结果表明轴子探测宽带反射器实验在团队已经设计的它来探测频率范围内是高度敏感的。

轴子探测宽带反射器实验联合负责人、费米实验室研究员安德鲁（Andrew Sonnenschein）说，“这只是我们正在计划的一系列令人兴奋的实验中的第一步，我们有很多改进我们的轴子搜索灵敏度的想法” 。

该测试还证明粒子物理学能被在桌面上做也能在大型粒子加速器中做如大型强子对撞机（LHC），该对撞机在法国和瑞士之间边境下17英里（27公里）深运行。

领导轴子探测宽带反射器实验开发和建设的费米实验室博士后学者斯蒂芬（Stefan Knirck）说，“这一结果是我们概念的一个里程碑，首次证明了我们方法的力量，做这种创造性的桌面规模的科学是伟大的，其中一个小团队能做从构建实验到数据分析但仍然对现代粒子物理有一个大影响的一切” 。