另闢蹊徑探測暗物質：用十億個微型擺錘充當傳感器

2020-10-16 科學大觀園雜誌


可見物質只佔宇宙組成物質的一小部分，而暗能量(一種加速宇宙膨脹的神秘物質)佔據著主導地位，其次是暗物質。

據美國「物理學組織」10月14日消息稱，美國國家標準與技術研究所（NIST）的研究人員提出了一種尋找暗物質的新方法。在設計的實驗中，10億個毫米大小的擺錘將充當暗物質傳感器。這將是首個僅通過暗物質與可見物質之間引力相互作用來尋找暗物質的實驗，也是少數可搜尋超小質量暗物質粒子（質量相當於一粒鹽）的實驗之一，這是此前難以企及的量級。相關結果近日刊發在《物理評論D》雜誌上。

在之前的實驗中，物理學家力圖尋找證據證明探測器中大質量弱相互作用粒子（WIMP，一種理論的暗物質粒子）在偶爾與化學物質碰撞時，會發光或釋放出電荷。然而，證據的搜尋過程並不順利，因為WIMP太輕了（理論上，其質量只介於電子和質子之間），無法通過引力來探測。

因此，NIST的研究人員考慮用一種更直接的方法來尋找質量相對稍大的、引力可以被探測到的暗物質粒子。

論文作者Daniel Carney介紹道：「我們建議純粹地依賴引力耦合效應，這是唯一目前所知的發生在暗物質和普通發光物質之間的耦合。」

因為該實驗中唯一未知變量是暗物質粒子的質量大小，而不是它與普通物質的耦合方式，「如果有人完成了我們設計的實驗，他們要麼能發現暗物質，要麼能排除一大部分可能質量範圍內的暗物質候選者。」Carney解釋道。

該實驗的靈敏範圍將覆蓋質量為1/ 5000毫克到幾毫克的粒子。這一質量範圍特別有趣，因為它涵蓋了所謂的「普朗克質量」——一個由三個基本自然常數決定的質量數，大約等於1/ 5000克。

該研究小組提出了兩種實驗方案，都涉及毫米級別的微型機械裝置（它們充當精密而敏銳的引力探測器）。傳感器將被冷卻到略高於絕對零度的溫度，以儘量減少與熱有關的電噪音，並屏蔽宇宙射線和其他放射源。

第一種方案中，無數高度靈敏的擺錘都會因暗物質粒子經過時的拖曳作用而發生輕微偏轉。在另一種策略中，研究人員建議採用磁懸浮的球體或雷射懸浮的珠子。在實驗開始時關閉懸浮，讓球體或珠子處於自由落體狀態。暗物質粒子經過時的引力作用會輕微地幹擾自由落體的路徑。

論文的另一位作者Jacob Taylor評論道：「我們利用物體的運動作為信號，從本質上來說，這與所有其他的粒子物理探測器都不一樣。」

研究人員計算出，每立方米空間大約需要10億個微型機械傳感器，才能區分出真正的暗物質粒子和普通粒子。普通的亞原子粒子（如中子）在探測器中會停止運作，而暗物質粒子會像小型小行星一樣快速地掠過傳感器陣列，並以引力牽動其移動路徑上的每個探測器。

另外，數十億個探測器的協調運動將揭示暗物質粒子在陣列中快速移動的方向。

原創編譯：朱明逸 審稿：西莫 責編：陳之涵

期刊來源： 《物理評論D》

期刊編號： 2470-0010

原文連結： https://phys.org/news/2020-10-billion-tiny-pendulums-universe-mass.html

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