用十億個單擺，尋找看不見的物質

2020-11-10 原理




用宇宙學家的話來說，宇宙中的所有可見物質，就像是漂浮在充滿了暗物質的浩瀚海洋中的少數存在。這種說法其實非常形象，因為構建了行星和恆星等的普通物質其實只佔了宇宙的5%，，而神秘的暗物質則約佔據了27%。

暗物質和暗能量佔據了宇宙總物質和能量的95%。| 圖片素材：NIST


今天故事的主角就是暗物質。暗物質是一些有質量，且會產生引力的不可見粒子。我們之所以相信這些「隱形」粒子的存在，是因為正是它們所提供的額外引力，才使得宇宙中的星系不至於分崩離析。自暗物質自被預言以來，在幾十年間一直對我們維持其神秘面紗，我們始終無法探測到它們的身影。


之前，許多尋找暗物質的實驗都是通過尋找暗物質粒子與某些普通物質之間的非引力相互作用信號來進行的。例如有一種被稱為弱相互作用大質量粒子（WIMP）的假想粒子，這種粒子在理論上質量介於電子和質子之間，是暗物質的一個主要候選粒子。對於引力探測來說，這些粒子太輕了，因此在過去的實驗中，科學家都希望能捕捉到這種粒子在探測器中與化學物質碰撞時所發出的光或釋放出的電荷——這類非引力作用信號。


然而，以這種方式尋找WIMPs的研究要麼一無所獲，要麼得到的是不確定的結果。隨著對WIMPs的搜索似乎已接近尾聲，物理學家開始思考全新的方法以尋找質量更大的暗物質粒子。


最近，有研究人員提出了一種尋找暗物質的新方法，這是一種更加直接的方法，憑藉的僅是暗物質與可見物質間的引力相互作用，而這種引力相互作用，正是目前科學家唯一能確定存在於暗物質與普通物質之間的耦合。


研究人員將他們的發現發表在了近期的《物理評論D》上。



在新的暗物質探測方案中，研究人員為引力版暗物質實驗提出了兩個方案：兩個方案都需要用到微小的機械裝置作為靈敏的引力探測器。並且這些探測器需要被冷卻到接近絕對零度的溫度，以儘量減少由熱產生的背景噪聲。


當暗物質粒子靠近一個懸掛的單擺時，單擺會因為引力的吸引而出現輕微的偏轉。| 圖片素材：NIST


在第一種方案中，充當了引力探測器的是質量以克為級別的微小單擺。當暗物質經過這些單擺時，暗物質的引力會使得這些高度靈敏的單擺做出輕微的偏轉。然而，這種偏轉是非常微小的，而且所有的這些單擺都會受到背景噪聲的影響，從而產生隨機地、獨立地擺動。因此在研究人員的設計中，他們建議使用單擺陣列，來更好地將這種因引力而發生的偏轉與因其他原因（如背景噪聲）導致的偏轉區分開來。


背景噪聲對每一個單擺都可能產生獨立的影響，使它們隨機、獨立的擺動。使用陣列可以使得當有暗物質粒子通過時，受到暗物質粒子影響的單擺之間的運動是相關的，從而可以將這種運動從由噪聲造成的運動中區分出來。| 圖片素材：NIST


當暗物質經過的是單擺陣列時，受到影響的那些單擺會按順序有規律地移動，換句話說，這些單擺的運動是相關的。經過計算，研究人員認為在一立方米的空間中，需要一組大約由10億個這樣單擺探測器組成的陣列來進行這項從普通粒子、隨機產生的電子信號，以及其他觸發了傳感器的幹擾中，區分出暗物質粒子的工作。此外，當數十億個單擺出現協調運動時，我們還能從中揭示暗物質粒子在陣列中的移動方向。


在另一種方案中，研究人員建議使用磁懸浮的小球或因雷射而懸浮的珠子作為探測器。在實驗的最開始時，先將懸浮關閉，讓小球或珠子處於自由落體狀態；當有暗物質粒子經過時，暗物質的引力會輕微地幹擾小球或珠子的自由落體路徑。


這兩種方案都是利用物體的運動作為信號，這在本質上與所有的粒子物理探測器都不同。



研究人員表示，這種實驗概念可以搜索質量約等於普朗克質量（2.18×10⁻⁸kg），以及普朗克質量以上的暗物質候選粒子。這個質量範圍特別有趣，這個區間的暗物質粒子大概率不會是基本粒子。在這一質量尺度進行探測的實驗寥寥無幾，很少有能夠記錄這種微小引力的探測器會對這一尺度進行探索和研究。因此，研究人員認為如果有人能夠按照這個模型建立實驗，那麼他們探索的將是在很大程度上關於暗物質的未知領域。


此外從技術角度上看，研究人員認為若要製造如此多的微型探測器，可能需要借用已在智慧型手機和汽車工業中運用的機械探測器製造技術。由於每個探測器的靈敏度都非常高，因此這項技術也可以不僅限於尋找暗物質，比如它的更小尺度版本就可以用於探測來自普通亞原子粒子的弱核力。


研究人員認為，他們設定的是建立一個引力暗物質探測器的宏偉目標；與此同時，實現這一目標所需的研發將可以為許多其他探測和計量測量帶來意外收穫。


參考來源：

https://www.nist.gov/news-events/news/2020/10/billion-tiny-pendulums-could-detect-universes-missing-mass

https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.102.072003

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