- 研究人員提議重新利用桌面傳感器來搜索暗物質
- 來源：互聯網 發表于 2023/5/9
科學家們確信暗物質存在。然而，經過50多年的尋找，他們仍然沒有直接證據證明這種神秘物質。
特拉華大學的斯瓦蒂·辛格（Swati Singh）是暗物質界的一小群研究人員之一，他們開始懷疑他們是否在尋找正確類型的暗物質。
“如果暗物質比傳統粒子物理實驗所尋找的要輕得多呢？”UD電氣和計算機工程助理教授辛格說。
現在，辛格，UD博士生杰克曼利以及亞利桑那大學和哈弗福德學院的合作者提出了一種新的方法，通過重新利用現有的桌面傳感器技術來尋找可能構成暗物質的粒子。該團隊最近在《物理評論快報》上發表的一篇論文中報告了他們的方法。
該論文的共同作者包括來自亞利桑那州的光學科學助理教授Dalziel Wilson，亞利桑那州博士生Mitul Dey Chowdhury和Haverford College物理學助理教授Daniel Grin。
不是平凡的事情
辛格解釋說，如果把所有發光的東西加起來，比如恒星、行星和星際氣體，它只占宇宙中物質的15%左右。另外85%被稱為暗物質。它不發光，但研究人員知道它的存在是因為它的引力效應。他們也知道這不是普通的物質，比如氣體、塵埃、恒星、行星和我們。
“它可以由黑洞組成，也可以由比電子小數萬億倍的東西組成，稱為超輕暗物質，”量子理論家辛格說，她以推動機械暗物質探測的開創性努力而聞名。
一種可能性是暗物質由暗光子組成，暗光子是一種暗物質，會對正常物質施加微弱的振蕩力，導致粒子來回移動。然而，由于暗物質無處不在，它會對一切事物施加這種力，因此很難測量這種運動。
Singh和她的合作者說，他們認為他們可以通過使用光機械加速度計作為傳感器來檢測和放大這種振蕩來克服這一障礙。
“如果力是材料依賴性的，通過使用由不同材料組成的兩個物體，它們被強迫的量將不同，這意味著你將能夠測量兩種材料之間的加速度差異，”該論文的作者曼利說。
威爾遜是一位量子實驗家，也是UD團隊的合作者之一，他將光機械加速度計比作微型音叉。“這是一種振動裝置，由于其體積小，對環境的擾動非常敏感，”他說。
現在，研究人員提出了一項實驗，使用由氮化硅制成的膜和固定的鈹鏡在兩個表面之間反射光線。如果兩種材料之間的距離發生變化，研究人員將從反射光中知道暗光子的存在，因為氮化硅和鈹具有不同的材料特性。
根據Manley的說法，合作是開發實驗設計的關鍵部分。他和Singh（理論家）與Wilson和Dey Chowdhury（實驗學家）合作進行理論計算，這些計算進入了構建他們提出的桌面加速度計傳感器的詳細藍圖。與此同時，宇宙學家格林幫助闡明了超輕暗物質的粒子物理學方面，例如為什么它會是超輕的，為什么它可能以不同的方式與材料耦合以及如何產生。
作為一名理論家，曼利說，有機會更多地了解設備的工作原理以及實驗學家如何構建東西來證明他和辛格開發的理論，這加深了他的專業知識，同時擴大了他對可能的職業道路的接觸。
重要的是，這項工作建立在合作團隊先前發表的研究的基礎上，去年夏天在《物理評論快報》上報道。這篇論文包括前UD研究生Russell Stump的貢獻，表明幾個現有和近期實驗室規模的設備足夠敏感，可以檢測或排除可能是超輕暗物質的可能粒子。
該研究報告稱，某些類型的超輕暗物質會與正常物質連接或耦合，從而導致原子大小的周期性變化。雖然單個原子大小的微小波動可能難以注意到，但這種效應在由許多原子組成的物體中被放大，如果該物體是聲諧振器，則可以實現進一步的放大。該合作評估了由從超流體氦到單晶藍寶石等不同材料制成的幾種諧振器的性能，并發現這些傳感器可用于檢測暗物質誘導的應變信號。
這兩個項目都得到了辛格從美國國家科學基金會獲得的資助，以探索圍繞使用先進的量子設備使用比其他方法更小、更便宜的桌面技術檢測天體物理現象的新興想法。
辛格說，這些論文共同擴展了關于探測暗物質的可能方法的工作主體，并提出了新一代桌面實驗的可能性。
Singh和Manley也在與其他實驗小組合作，開發額外的桌面傳感器來尋找這種暗物質或其他微弱的天體物理信號。他們還在暗物質和量子傳感器社區內積極開展關于這一主題的更廣泛討論。
例如，辛格最近在能源部探測器協調小組（CPAD）組織的虛擬研討會上討論了粒子物理探測器的轉型儀器進展。她還在美國物理學會四月會議期間的一個特別研討會上介紹了這些結果。
“這是一個激動人心的時刻，我從來自不同背景的科學家在這些研討會上提出的問題中學到了很多東西，”辛格說。“但值得注意的是，我原始的研究想法仍然來自好奇的學生提出的問題。
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