「過冷水」可用作新型暗物質探測器

2020-12-01 cnBeta

儘管科學家們預測暗物質約佔宇宙中物質總量的 85%，但截至目前，它們仍未被直接檢測到。不氣餒的科學家們，一直在努力升級探測系統的敏感度，期待其能夠與漂浮的暗物質粒子發生相互作用。有趣的是，紐約州立大學奧爾巴尼分校的研究人員們，剛剛開發出了一種使用「過冷水」（supercooled water）的新型暗物質探測器。

視頻截圖（來自：JOSHUA E. MARTIN / EurekAlert）

要形成冰晶，水分子需要有粘附的固體表面。通常情況下，汙垢或其它雜誌有助於啟動該過程。形成的冰晶越多，晶體的表面積就越大。

然而與常理不同的是，這套裝置能夠形成低於 0 ℃（32℉）、而不凍結成冰的「過冷水」。因為在嚴格控制的條件下，純水能夠保持在遠低於 0 ℃ 的冰點（該過程即被稱作『過冷』）。

但是從「過冷」狀態到突然發生凍結，並不需要太多的條件。如果冰晶以某種方式受到幹擾 —— 搖晃、倒出、飛機掠過的噪聲、過冷雲、某些例子與水分子發生碰撞 —— 都可以引發凍結。

研究人員希望，令人難以捉摸的暗物質粒子，也能夠與過冷水發生微妙的反應。於是在測試期間，他們將過冷水冷卻到了 -20℃（-4℉），然後暴露於不同的顆粒下。

動圖演示（via New Atlas）

結果發現，某些粒子確實可以觸發亞原子水平的凍結。研究一作 Matthew Szydagis 表示：

我們發現了一種新的過冷水性質，令我們感到驚訝的是，某些粒子（中子）可以引發凍結，而其它粒子並不會（伽馬射線）。像中子這樣的粒子，甚至可以在水中被散射多次。

研究人員將這種用一大桶「過冷水」作為暗物質探測器的方案稱作「雪球室」（Snowball Chamber）。

長期以來，人們一直認為暗物質一直漂浮在我們身邊，但它不會與普通物質發生相互作用。但若它碰巧與過冷水發生作用，就可能引發意料之外的凍結。

在排除了所有其它幹擾之後，這套方案的驗證過程，就與使用液體氙（或超流體氦）的電流檢測器方案類似了。不過與後者相比，過冷水的造價更便宜，因此能夠大撒網地對暗物質展開探測。

此外，研究人員發現過冷水亦可用於運輸中的核武器、增加對雲形成的理解、甚至揭示一些冬眠哺乳動物的習性，比如讓自身血液低於冰點的北極地松鼠。

據悉，研究人員在上周末於丹佛舉辦的 2019 美國物理學會會議上介紹了他們的新發現，目前論文已提交出版。

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