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如何探测宇宙中的暗物质呢?

863    2020-10-30    发布者:中国测试杂志社    来源:NIST 翻译:中国测试新闻中心

美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员及同事提出了一种寻找暗物质的新方法。暗物质是宇宙中的神秘物质,几十年来一直未被发现。暗物质约占宇宙的27%,而普通物质,比如构成恒星和行星的物质,仅占宇宙的5%(一种叫做暗能量的神秘存在,占了剩余68%)。

根据宇宙学家的观点,宇宙中所有可见物质都只是漂浮在浩瀚的暗物质海洋中——这些粒子尽管看不见但仍具有质量和引力。暗物质的引力将提供防止星系分裂的“胶水”,并解释物质如何聚集在一起形成宇宙多彩的银河织锦。

在这项拟议的实验中,十亿毫米大小的摆将充当暗物质传感器,这将是第一次仅通过暗物质与可见物质的重力相互作用来寻找暗物质。该实验将是少数几个寻找与一粒盐同等质量的暗物质粒子实验之一,这一范围也将打破微小重力传感器可探测范围的纪录。

图一(来源:NIST)

可见物质只占宇宙组成的很小一部分。暗能量——一种加速宇宙膨胀的神秘存在占据着主导地位,其次是暗物质,即一种施加引力的无形物质。

众所周知,暗物质是宇宙中隐藏的东西。为了寻找直接证据,NIST研究人员提出使用3D摆阵列作为力探测器,可以探测经过的暗物质粒子的重力影响。当一个暗物质粒子靠近悬浮的摆时,由于两个质量块的吸引,摆应略微偏斜。然而,这个力非常小,很难与导致摆锤运动的环境噪声隔离。为了更好地将摆的偏转与通过的粒子区分开来,NIST研究人员建议使用摆阵。环境噪声会单独影响每个摆,使它们独立移动。但是,穿过阵列的粒子会使摆锤产生一定偏转。由于这些运动是相关的,因此可以将它们与环境噪声隔离开,从而揭示粒子向每个摆传递的力以及粒子的速度和方向。

先前的实验,通过寻找不可见粒子与某些普通物质之间相互作用的非引力迹象来寻找暗物质。在寻找一种被称为WIMP(弱相互作用的大质量粒子)的假设类暗物质就是这样做的,该暗物质在二十多年的时间里一直是不可见物的首选。物理学家找到证据表明,当WIMP偶尔与探测器中的化学物质碰撞时,它们会发光或释放电荷。

以这种方式寻找WIMP的研究人员要么空手而归,要么获得了不确定的结果。这些粒子太轻(理论上其质量介于电子和质子之间),无法通过引力探测到它们。就在对WIMP的搜寻似乎走入穷途时,NIST的研究人员及同事正在考虑一种更直接的方法来寻找质量更大的暗物质粒子,这样就可以利用足够大的引力进行探测。

“我们的提议完全依赖于引力耦合,这是我们唯一确定存在于暗物质和普通发光物质之间的耦合,”该研究的合著者Daniel Carney说,他是NIST的一名理论物理学家,与联合量子研究院(JQI)、马里兰大学学院公园量子信息和计算机科学联合中心(QuICS)和费米国家加速器实验室(Fermi National Accelerator Laboratory)联合工作。研究人员还包括NIST、JQI和QuICS的Jacob Taylor、 JQI和QuICS的SohitriGhosh和费米国家加速器实验室的GordanKrnjaic。他们的方法可以寻找最小质量约为盐粒一半或质子质量十亿倍的暗物质粒子。科学家们在《Physical Review D》中报告了他们的研究结论。

因为实验中唯一未知的是暗物质粒子的质量,而不是暗物质与普通物质的耦合关系,所以“如果有人着手尝试了我们提议的实验,他们要么成功找到暗物质,要么排除大范围内可能质量的所有暗物质候选物,”卡尼说。该实验将对大约1/5000mg到几毫克的粒子有效。该质量标尺十分有趣,因为它涵盖了所谓的普朗克质量,这是一种仅由自然的三个基本常数决定的质量,大约等于1/5000g。

Carney、Taylor和同事为引力暗物质实验提出了两种方案。两种方案都使用微小的、毫米大小的机械装置,作为引力探测器。将传感器冷却到略高于绝对零度,以最大限度地减少与热相关的电噪声,并屏蔽宇宙射线和其他放射源。一种方案中,无数高度敏感的摆会响应一个经过的暗物质粒子的牵引而轻微偏转。类似的设备(尺寸更大)已用于最近获得诺贝尔奖的引力波探测中,这是爱因斯坦的引力理论预测的时空结构中的波纹。像钟摆一样小心地悬挂着的镜子,会响应经过的引力波,其移动的距离小于原子的长度。

在另一种方案中,研究人员建议使用因磁场悬浮的球体或因激光悬浮的珠子。在该方案中,实验开始后关闭空中悬浮,使球体或珠子自由下落。一个经过的暗物质粒子的引力会轻微干扰到自由落体的路径。“我们将物体的运动作为我们的信号,”Taylor说,“这基本上不同于外面的每个粒子物理探测器。”

研究人员计算出,需要一个分布在一立方米范围内的约十亿个微型机械传感器组成的阵列,才能将真正的暗物质粒子与普通粒子或伪随机电信号或“噪声”区区别开来。普通的亚原子粒子,如中子(通过非引力相互作用),会在单个探测器中直至消亡。相比之下,科学家们预计,一个暗物质粒子会像一颗微型小行星一样呼啸而过,在引力的作用下一个接一个地晃动路径上的每个探测器。噪声会导致单个探测器随机且独立地移动,而不是像暗物质粒子那样顺序地移动。此外,十亿个探测器的协调运动将揭示暗物质粒子在阵列中缩放时的前进方向。

为了制造如此多的微型传感器,研究小组建议研究人员不妨借鉴智能手机和汽车行业中已经用来生产大量机械探测器的技术。由于单个探测器的灵敏度,采用该技术的研究人员不必将自己局限于黑暗面。同一实验的较小规模的版本可以检测到来自远处地震波的微弱力以及来自普通亚原子粒子(如中微子和单个低能光子)通过的弱力。

Carney表明,如果模型预测准确,较小规模的实验可以寻找暗物质粒子,通过非引力作用给探测器带来足够大的冲击力。他说:“我们正在制定建造引力暗物质探测器的宏伟计划,但是要实现目标,需要进行进一步研发,这将为许多其他探测和计量测试打开新的世界。”

其他机构的研究人员已经开始使用NIST小组的蓝图进行初步实验。



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