宇宙最冷的物質,玻色-愛因斯坦凝聚體,科學家用它來尋找暗物質

2021-01-15 科學源點

科學家們已經能夠觀察到宇宙,並確定其質量的80%左右似乎是「暗物質」,它施加引力,但不與光相互作用,因此不能用望遠鏡看到。我們目前對宇宙學和核物理學的理解表明,暗物質可以由軸子(6種可能的組成暗物質的粒子之一)構成,這是一種具有不尋常對稱性的假設。

在一篇發表在《物理評論快報》上的新文章中,強調了利用玻色-愛因斯坦凝聚體的獨特性質尋找軸子。

軸子被認為是極低質量的粒子,在空間中流動,很少與普通物質相互作用。它們的信號非常微弱,使得探測變得非常困難。這大致相當於你從火星上使用手機的人身上獲得的信號功率。如果它存在的話,將意味著「奇異的自旋相關力」。磁,最著名的自旋相關力,使電子沿著磁場指向自己的自旋,就像羅盤指向北方一樣。磁性是由虛擬光子攜帶的,而「奇異的」自旋相關力則由虛擬軸子(或類軸子粒子)攜帶。這些力作用於電子和原子核,不僅由磁鐵產生,也由普通物質產生。要知道軸子是否真的存在,一個好的方法是觀察原子核是否傾向於指向其他物質。

類軸子粒子被認為是由某些量子相互作用產生的,但它們有一種奇怪的性質,它們通過強磁場就可以測量出來。儘管這些粒子被認為是非常輕的,它們的「重量」不到電子質量的十億分之一,但宇宙可能被它們淹沒,形成一個巨大的引力體,這可以解釋宇宙大部分質量隱藏在哪裡。

目前,有幾個實驗已經在尋找這些力,使用的是「磁感應計」,它們是在同一個地方配對的磁傳感器。通過比較兩個傳感器的信號,可以消除普通磁場的影響,只留下新力的影響。到目前為止,磁感應計只能尋找達到一米或更多的自旋相關力。為了尋找短程自旋相關力,需要一個更小的磁敏計。

玻色-愛因斯坦凝聚體(BEC)是幾乎冷卻到絕對零度的氣體。由於玻色-愛因斯坦凝聚體是超流體,它們的組成原子可以在沒有任何摩擦的情況下自由旋轉幾秒鐘,使得它們對磁場和新的外來力都異常敏感。玻色-愛因斯坦凝聚體也很小,大約10微米左右。然而,要製作玻色-愛因斯坦凝聚體磁敏計,需要解決一個棘手的問題:如何將兩個玻色-愛因斯坦凝聚體磁敏計放在同一小體積內。

在這篇論文的研究中,研究人員報告說,他們能夠通過使用同一87Rb-BEC的兩種不同的內部狀態來解決這個問題,每一種狀態都充當一個單獨但位於同一位置的磁敏計。實驗結果證實了所預測的高抗普通磁場噪聲能力和尋找範圍比以往實驗短得多的外來力的能力。除了尋找軸子外,該技術還可以提高超冷碰撞物理的精確測量和玻色-愛因斯坦凝聚體中量子關聯的研究。

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