十億個微小的擺錘可以探測到宇宙失蹤的質量

美國國家標準技術研究院（NIST）的研究人員及其同事提出了一種尋找暗物質的新方法，暗物質是宇宙的神秘物質，幾十年來一直無法發現。暗物質約佔宇宙的27％。普通物質，例如製造恆星和行星的物質，僅佔宇宙的5％。（一個名為暗能量的神秘實體佔了其他68％。）

根據宇宙學家的說法，宇宙中所有可見物質都只漂浮在廣闊的暗物質海洋中，儘管看不見但仍具有質量並具有引力的粒子。暗物質的引力將提供缺失的膠水，以防止星系散落，並解釋物質如何凝聚在一起形成宇宙豐富的銀河掛毯。

擬議中的實驗將使十億毫米大小的鐘擺充當暗物質傳感器，這將是第一個僅通過其與可見物質的引力相互作用來尋找暗物質的實驗。該實驗將是尋找質量與鹽顆粒一樣大的暗物質顆粒的少數實驗之一，這種規模很少被探索，也從未被能夠記錄微小重力的傳感器研究過。

先前的實驗通過尋找不可見粒子與某些普通物質之間相互作用的非引力徵兆來尋找暗物質。搜索所謂的WIMP（弱相互作用的大顆粒）的假設類型的暗物質就是這種情況，該暗物質在二十多年的時間裡一直是看不見材料的首選。物理學家尋找證據表明，當WIMP偶爾與探測器中的化學物質碰撞時，它們會發光或帶走電荷。

以這種方式尋找WIMP的研究人員要麼空手而歸，要麼獲得了不確定的結果。粒子太輕（理論上其質量在電子和質子之間不等）無法通過其引力拖船進行檢測。

隨著對WIMP的搜尋似乎已走到盡頭，NIST的研究人員及其同事現在正在考慮一種更直接的方法來尋找質量更重的暗物質顆粒，從而產生足夠大的重力以進行檢測。

研究合著者，聯合量子研究所（JQI）NIST聯合的理論物理學家丹尼爾·卡尼（Daniel Carney）說：「我們的建議僅依賴於引力耦合，這是我們唯一確定的暗物質與普通發光物質之間存在的耦合。」 ）以及位於大學公園的馬裡蘭大學量子信息與計算機科學聯合中心（QuICS）和費米國家加速器實驗室。

研究人員還包括NIST，JQI和QuICS的Jacob Taylor。JQI和QuICS的Sohitri Ghosh；Fermi國家加速器實驗室的Gordan Krnjaic和他們的方法計算得出，他們的方法可以搜索最小質量約為鹽粒一半或質子質量十億倍的暗物質顆粒。科學家今天在《物理評論D》中報告了他們的發現。

因為實驗中唯一未知的是暗物質粒子的質量，而不是暗物質與普通物質的耦合關係，所以「如果有人建議建立實驗，他們要麼找到暗物質，要麼排除所有可能的暗物質。可能的群眾。」卡尼說。該實驗對範圍從大約1 / 5,000毫克到幾毫克的顆粒敏感。

該質量標度特別有趣，因為它涵蓋了所謂的普朗克質量，該質量僅由自然的三個基本常數決定，大約等於1 / 5,000克。

卡尼，泰勒及其同事為引力暗物質實驗提出了兩種方案。兩者都涉及充當靈敏重力探測器的微小，毫米大小的機械設備。傳感器將被冷卻到剛好超過絕對零的溫度，以最大程度地減少與熱相關的電噪聲，並屏蔽宇宙射線和其他放射源。在一種情況下，無數個高度敏感的擺錘會分別響應經過的暗物質粒子的拖拉而略微偏轉。

相似的設備（尺寸更大）已經用於最近的諾貝爾獎獲得的引力波探測中，這是愛因斯坦的引力理論預測的時空結構中的波動。小心地懸掛著的鏡子，像鐘擺一樣，響應經過的引力波，移動的距離小於原子的長度。

在另一種策略中，研究人員建議使用受磁場懸浮的球體或受雷射懸浮的珠子。在該方案中，隨著實驗開始，懸浮被關閉，從而使球體或珠子自由下落。穿過的暗物質粒子的引力會稍微幹擾自由落體的路徑。

泰勒說：「我們將物體的運動作為信號。」 「這基本上不同於那裡的每個粒子物理探測器。」

研究人員計算出，需要一個分布在立方米上的大約十億個微型機械傳感器組成的陣列，才能將真正的暗物質粒子與普通粒子或偽隨機電信號或「噪聲」區分開來，從而在傳感器中觸發錯誤警報。普通的亞原子粒子（例如中子）（通過非重力相互作用）將在單個探測器中停止死亡。相比之下，科學家們希望像一個小行星一樣，暗物質粒子像微型小行星一樣飛越陣列，會在引力的作用下使每個探測器依次移動。

噪聲會導致各個探測器隨機且獨立地移動，而不是像暗物質粒子那樣順序地移動。另外，十億個探測器的協調運動將揭示暗物質粒子在陣列中縮放時的前進方向。

為了製造如此多的微型傳感器，研究小組建議研究人員可能想借鑑智慧型手機和汽車行業已經用於生產大量機械探測器的技術。

由於各個檢測器的靈敏度，採用該技術的研究人員不必將自己局限於黑暗的一面。同一實驗的一個較小規模的版本可以檢測到來自遙遠地震波的弱力以及來自普通亞原子粒子（例如中微子和單個低能光子，光粒子）通過的弱力。

卡尼說，較小規模的實驗甚至可以尋找暗物質粒子，如果暗物質粒子通過非重力作用向探測器發出足夠大的反衝力（如某些模型所預測的那樣），就可以發現它們。

卡尼說：「我們正在制定建造引力暗物質探測器的雄心勃勃的目標，但是要實現這一目標，需要進行研發，這將為許多其他探測和計量測量打開大門。」

其他機構的研究人員已經開始使用NIST團隊的藍圖進行初步實驗。