重要性堪比引力波:美科學家利用超靈敏裝置探測軸子

2020-12-05 快科技

據Space北京時間7月2日報導，美國物理學家表示，他們已經對第一個靈敏度足以探測到軸子（假想的一種亞原子粒子）的試驗裝置進行了測試。部分科學家認為，軸子是暗物質成分之一。

位於華盛頓大學的軸子暗物質試驗（Axion Dark MatterExperiment ，以下簡稱「ADMX」），代表過去40年來「尋找」軸子努力的一個突破。

華盛頓大學物理學家、這項試驗的參與者格雷·裡布卡（Gray Rybka）向Space.com表示，「隨時都會有重大發現，想想都令人激動。當我們看到信號出現時——信號會定期出現，原因就在於幹擾，或有計劃地給設備加虛假信號，目的是確保設備能正常發揮作用——就有可能代表著重大突破的出現。」

裡布卡表示，軸子的發現具有重要意義，在改變我們對宇宙的理解方面，其重要性堪比引力波。他說，「一旦我們看到信號出現，就會關注信號形狀和如何隨時間變化，我們將積極研究我們所處區域的暗物質的作用。」

軸子被認為是一種質量極低的粒子，在空間流動，很少與普通物質發生相互作用。

美國國家射電天文臺在一份聲明中表示，它的信號非常微弱，探測難度極大。信號強度大約與有人在火星上使用手機，地球收到的信號強度相當。

ADMX工作原理與調幅收音機的調諧器相似，循環探測不同頻率的信號，直到探測到信號。

整個試驗裝置的溫度將降低到0.1開氏度（約零下460華氏度或零下273.3攝氏度），以儘量減小由熱輻射造成的噪音。


ADMX探測器內部

上述聲明稱，ADMX的秘密武器是降低來自放大器噪音的能力。之前的試驗設備採用標準的半導體放大器，噪音使得探測軸子的難度大大增加。研究團隊於是向外界尋求幫助。

加州大學伯克利分校研究生院物理學教授約翰·克拉克（John Clarke）向ADMX團隊伸出了援助之手。克拉克是開發被稱作超導量子幹涉器件的高靈敏度磁探測裝置的先驅。

克拉克為ADMX設計了微帶形狀的SQUID放大器（以下簡稱「MSA」），把噪音減小了30倍，意味著如果軸子存在，它發出的信號就可以被探測到。

裡布卡說，科學家利用MSA在2017年1月至2017年8月期間進行了ADMX實驗，以證明MSA能有效地降低噪音。

ADMX每天運行24小時。最近一次實驗開始於今年1月，將持續到今年夏季，然後將關閉實驗裝置進行維護。目前的資金足以讓這項實驗再持續3年時間。

美國費米國家加速器實驗室科學家安德魯·索寧沙伊恩（Andrew Sonnenschein）表示，雖然軸子可能在下周就被發現，但對所有頻率進行掃描可能需要數年時間。

他說，「我們認為，最有可能探測到軸子信號的頻段，就是我們目前掃描的頻段，約為1GHz-數百GHz。」

裡布卡指出，頻率越高，噪音就會越大，實驗的難度也就越大。ADMX團隊正在開發新的技術和方法，以對更高的頻率進行掃描。

他說，「如果足夠幸運，我們將在較低的頻段發現軸子，這將使我們無須進行難度更大的實驗。」

相關焦點

  • 我們用引力波探測出了些什麼?
    簡述：科學家認為，在某些情況下，暗物質能夠產生足夠強大的引力波，使LIGO這樣的設備能夠探測到。1916年，阿爾伯特·愛因斯坦發表了他的廣義相對論，該理論建立了引力是時空組構的扭曲的現代觀點。與引力相互作用的任何事物都會生成引力波。但僅僅最具有災難性的宇宙事件才能夠生成足夠強，可以令我們觀測到的引力波。現今觀測者們已經開始常態化記錄引力波，科學家們正在討論暗物質是怎樣的——只知曉其通過引力與其他物質相互作用——或許能發出足夠強被發現的引力波。
  • 科學家模擬「磁星」搜尋軸子「芳蹤」
    據美國麻省理工學院（MIT）官網近日消息，MIT物理學家們打算進行一項新實驗，來探測一種名為「軸子（Axion）」的粒子。如果實驗成功，將破解粒子物理學領域一個複雜的未解之謎——強電荷宇稱破壞，並進一步釐清暗物質的屬性。
  • 科學家將引力波探測器縮小了
    7月21日消息，GW150914是由雷射幹涉引力波天文臺(LIGO)於2015年9月14日探測到的引力波現象，這一發現也創造了歷史。大部分引力波來自黑洞合併形成，少數則由中子星合併形成。為了偵測到微弱的引力波信號，科學家不得不建造超巨型的L型結構，兩臂必須拉長到將近4公裡。
  • 新型引力波探測器已進入研發階段,它可以探測來自宇宙初始的聲音
    空間引力波探測器現在美國的引力波探測器LIGO，曾於2015年探測到了兩個黑洞融合以及雙中子星碰撞產生的引力波，該設備耗資10億美元，體積非常巨大。目前美國的LIGO引力波探測器只是幹涉臂就長達數千米，與歐洲的VIRGO探測器有的一比。新型研發的懸浮探測器，將使用雷射把真空腔中的玻璃珠懸浮在空中，幹涉臂將縮短為一米，它具有更高的靈敏度，可以「傾聽」到原始黑洞發出的引力波，還可以探測一種理論上屬於暗物質成分的粒子——軸子(Axion)，這個項目已經獲得了一筆1百萬美元的經費資助。
  • 軸子是什麼?帶你了解尋找軸子的有趣實驗
    ALPS大型實驗裝置（一期）一期實驗裝置從2007年到2010年給出了一些實驗結果，標示出軸子等粒子的存在邊界，為了更進一步開展LSW實驗，從2013年開始至今，科學家們設計建造了ALPS II 二期裝置，各項參數都大大優於一期裝置，在該裝置上有望探測到軸子這類粒子的存在痕跡，為閃光穿牆這個構想提供更加有力的實驗支持。
  • 科學網—空間引力波探測地面模擬裝置落戶深圳
  • 引力波可以幫助我們揭露黑洞、暗物質和粒子理論中的奧秘
    本文參加百家號科學#了不起的天文航天# 系列徵文引力波是愛因斯坦預言的在空間結構中不可見的漣漪。它開啟了天文學的一個全新的時代，讓科學家們能夠看到宇宙中曾經被認為不可見的部分，比如黑洞，暗物質以及被稱為軸子的一些理論上的亞原子粒子。
  • 引力波探測新徵程!我國成功發射「天琴一號」引力波探測項目首顆...
    為什麼要去太空探測引力波？ 　　2015年9月，位於美國的雷射幹涉引力波探測器，也就是我們熟悉的LIGO首次探測到了引力波。那麼既然已經證明了在地面上能夠探測引力波，我國的天琴計劃為何選擇利用衛星在宇宙空間內探測引力波呢？
  • 史丹福大學正建造另一種引力波探測器，藏在地下的原子幹涉儀！
    一道屏障將它與主房間隔開，在主房間之外，圓柱體跨越三層樓高，成為一個容納超冷原子的裝置，準備向上發射。堆滿雷射向原子發射的桌子（並分析它們對引力等力的反應）填滿了實驗室的其餘部分。該管是一個原子幹涉儀，一種定製的裝置，設計用於研究原子的波性質，根據量子力學，原子以粒子和波的形式同時存在。這個儀器可以用來探測引力波，引力波是天文物體產生時空擾動的微小漣漪（如中子星碰撞合併等）。
  • 科學家再次探測到引力波 「時空漣漪」知多少
    中新網6月17日電 時隔四個月，美國雷射幹涉儀引力波天文臺(LIGO)再次放出重磅消息，宣布「又探測到了一個引力波事件」。人類第二次探測到被稱為「時空漣漪」的引力波，此消息一出，立刻在學界激起「千層浪」。科學家稱，這次探測進一步印證了愛因斯坦廣義相對論的正確性，同時也是天文學的一個裡程碑。
  • 我國三大引力波探測項目,有望突破基礎科學,就是有點燒錢,這錢值得...
    引力波探測器 研究引力波的意義 有人將引力波發現堪比當年電磁波的發現，當之無愧的諾貝爾獎級別，可見其重要性。黑洞和引力波 LIGO LIGO中文全稱是雷射幹涉引力波天文臺，是利用雷射幹涉儀來探測宇宙深處引力波的大型儀器。
  • 專家解析中國引力波探測設想
    新華社北京2月15日電 近日，美國「雷射幹涉引力波天文臺（LIGO）」第一次直接探測到引力波，證實了愛因斯坦引力理論的最後一項預言，震動世界。引力波探測為人類開啟了宇宙觀測的全新窗口，中國科學家將在其中有何作為？怎樣才能探測到引力波？
  • 桌面大小的引力波探測器有望用於揭示暗物質之謎
    據外媒報導，是涉及引力波方面時，可能需要巨大的設備來檢測最微小的東西。雷射幹涉引力波天文臺（LIGO）使用4公裡長（2.5英裡）的臂能夠探測到小於質子寬度千分之一的空間畸變。但是現在， 西北大學的一個團隊的目標是建造一個小到足以安裝在桌面上的引力波探測器，它可以檢測到較大設施所遺漏的信號。
  • 桌面上的引力波探測器
    與此相伴的引力波如漣漪般擴散開來，拉伸擠壓著時空，向膨脹中的宇宙宣告這些最早誕生的黑洞。140多億年後的今天，美國西北大學的研究人員希望建造一種新的探測器——只有桌面大小，卻能讓人們以新的方式「聆聽」原始的低吼。這種新型引力波探測器與現今聲名大噪的雷射幹涉引力波天文臺（LIGO，耗資十億美元，體量巨大）不同。
  • 中國引力波探測計劃「天琴」「太極」各進一步 與國外競爭白熱化
    引力波就是時空彎曲中的漣漪，當引力波通過的時候，物體之間的距離就會發生有節奏的增加和減少，引力波探測對於研究宇宙的起源、發展、演變意義重大。 2016年年初，美國的LIGO地面應力波探測裝置首次直接探測到了引力波，找到了驗證愛因斯坦廣義相對論的「最後一塊拼圖」，在國際上掀起了引力波探測研究的熱潮。
  • 軸子和暗物質被發現了？先別急
    但暗物質和常規物質即使有相互作用，也及其微弱，目前還沒有任何實驗直接探測到了暗物質。當然，人類不會停止探測暗物質的腳步，目前世界上有很多暗物質探測實驗，Xenon-1T 實驗就是其中的領跑者。Xenon-1T，顧名思義，就是利用約一噸的液氙作為探測靶物質來探測暗物質。
  • 引力波探測的高級方式!利用光子,「大質量引力」將被看得很清晰
    與世界上最靈敏的引力波探測器相比，這將是一個全新的設計。簡介：一片新的論文指出，理論上，可以通過研究光子和引力子的相互作用來重新界定引力波的性質，或許以後會出現更靈敏的光子引力子探測器，而不僅僅是引力波探測器。
  • 引力波研究科學家:引力波究竟是如何被探測到的,為什麼值得我們淚...
    （原標題：引力波研究科學家：引力波究竟是如何被探測到的，為什麼值得我們淚流滿面？）
  • 一箭九星 「天琴一號」出徵探測引力波
    「天琴一號」是我國「天琴」引力波探測計劃首顆技術驗證衛星。根據規劃，「天琴計劃」將在地球軌道上部署3顆衛星，組成臂長十幾萬公裡的等邊三角形編隊，構成空間引力波探測「天文臺」。　　亮點1　　「天琴計劃」在太空搭建引力波探測「天文臺」　　「天琴計劃」2014年由中山大學校長、中國科學院院士羅俊提出，以中國為主導的國際空間引力波探測計劃。「天琴一號」技術試驗衛星由航天科技集團五院航天東方紅衛星有限公司抓總研製，是空間引力波探測的探路者。
  • 科學家探測到引力波 中大"天琴計劃"將尋找宇宙弦音
    引力波最終探測成功，是基於全球科學家的共同努力和通力合作，這其中，也有中國科學家的參與。同時，中國的一些科研機構也正開展著相關研究，比如中山大學——既是中國引力波研究的先行者，也正走在探索的前沿。　　A 為啥重要？　　證實了廣義相對論預言　　對於大多數人來說，引力波還是一個非常陌生的概念。其實它是加速中的質量在時空中所產生的波動。