暗物质：新的探测器将寻找“超轻”粒子

    科学家们正在寻找比传统搜索更轻数万亿甚至万万亿倍的暗物质粒子。

HARD SCIENCE — MAY 21, 2024

Don Lincoln

Credit: suebsiri / Adobe Stock

关键要点

    尽管数十年的研究，但科学家们还没有发现暗物质的直接证据，暗物质是一种神秘的物质，据信比普通物质重得多并影响恒星和星系的运动。

    由用轴子探测的宽带反射器实验合作最近利用费米国家加速器实验室和芝加哥大学的努力，集中在探测超轻暗物质粒子上，包括“暗光子”和轴子，它们可能比以前搜索的质量远更轻。

    虽然用轴子探测的宽带反射器实验合作探测器的初步实验没有观察到目标频率范围内的暗光子，但该合作计划增强他们的探测能力并探索一个更广泛的质量范围，继续他们的寻找暗物质的难以捉摸的属性。

    天文学家有一个问题。恒星和星系对一个意想不到的曲调跳舞，它们的运动似乎被能被看见物质的六倍管理。科学家相信宇宙中充满了一种远远超过普通物质量的暗物质。只有一个问题：没有直接的暗物质的存在的证据。

    在过去的50年里，物理学家已经试图来探测暗物质，没有可用的。许多选择已经被考虑，范围从亚原子粒子到看不见的黑洞。在过去的几十年里，理论物理学界已经感兴趣即暗物质是由质量介于一个质子质量和几千倍更大质量之间的稳定粒子组成的想法。

    然而，费米国家加速器实验室和芝加哥大学的一组物理学家已经探索了一个截然不同的质量范围。这些科学家正在寻找比传统搜索更轻数万亿甚至万万亿倍的暗物质粒子。

超轻暗物质

    来自用轴子探测的宽带反射器实验合作（BREAD）的物理学家正在寻找超轻暗物质。这些研究人员正在寻找两类粒子，它们的存在已被理论界提出但尚未被观察到。

    第一种粒子被称为“暗光子”，它可以与暗物质粒子相互作用，就像普通光子与普通物质相互作用一样。然而，如果它们存在，暗物质光子不会直接的与普通物质相互作用，就像普通光子不会与暗物质相互作用一样。

    然而，通过量子力学的一个怪癖，暗光子转化为普通光子是有可能的，尽管这种转变会是罕见的。

    相比之下，轴子被认为起一个不同的角色。在公认的量子世界理论中，弱核力与物质和反物质非常不同的相互作用。没有一个为什么强大的核力也不能区别对待物质和反物质的先验理由。然而，实验证据强烈提示在强核力如何对待物质和反物质中没有不对称。轴子理论被提出来解释这一令人惊讶的观察。（注：强核力将原子核把持在一起，弱核力会引起某些形式的放射性）。

    用轴子探测的宽带反射器实验合作探测技术依赖于暗物质或轴子在一个金属壁上相互作用并发射垂直于金属的普通光子。当这些普通光子被创造时用常规技术能被探测到。这些光子不一定是可见光，但原则上可能来自电磁波谱中的任何频率。在最近的发表中，研究人员仅报告了搜索一个特定类别的微波暗光子的结果。

    用轴子探测的宽带反射器实验合作研究人员设计了一种灵敏的无线电接收器，并用它来扫描10.7至12.5 GHz的范围。 从概念上讲，这类似于用汽车收音机扫描频率并试图找到一个广播电台。如果暗光子在这个频率范围内正在转换为一个普通光子，研究人员会已经看到一个特定频率的信号跳跃。

    信号没有被观察到，但研究人员能够在44至52微电子伏特（μeV）的质量范围内对暗光子的存在设置一个限制，远低于传统暗物质搜索的范围。在这个质量范围内，新探测器的灵敏度比早期测量灵敏度更高10000倍。

未来的实验

    尽管这一成就意义重大，但这个版本的用轴子探测的宽带反射器实验合作检测器只是一个实验方法是可行的证明。研究人员正在设计一种后续装置，预计将大大提高它能探索的灵敏度和质量范围。

    在这个过程正在进行的同时，研究人员正在用当前的装置对轴子做出一个可比较的搜索。探测技术是类似的，但轴子被预料当放在一个强磁场中时转化为一个普通光子。目前的努力使用位于阿贡国家实验室的 一个4 特斯拉磁铁。再次，虽然这一努力有望创造破纪录的性能，但一个预计更大、更强大的磁铁将到达费米实验室，这将进一步增强合作的能力。

    暗物质如果它存在是一种难以捉摸的物质，对物质的属性几乎不提供实验指导。单个暗物质粒子质量的理论有从一个电子质量的百万分之一到太阳质量的100倍的估计范围。虽然实验已经排除了这个巨大质量范围的一部分，但大部分仍未被探索。用轴子探测的宽带反射器实验合作合作希望在低质量区与明确表明一个领导角色。

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