如何尋找標量暗物質？最新研究表明：機械諧振器或有巨大潛力

2020-08-28 科學新聞前沿


圖片作者： Russel Stump & Swati Singh.

德拉瓦大學、亞利桑那大學和哈弗福德學院的研究人員最近提出了使用緊湊型聲諧振器搜索標量暗物質的想法。他們的論文發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上，從理論上證明了機械系統在尋找暗物質方面的潛力。

開展這項研究的研究人員之一斯瓦蒂·辛格(Swati Singh)在接受採訪時表示：「作為一名研究生時開始從事光學機械領域工作的理論家，我經常在想，是否有可能將我的實驗同事正在開發的一些精緻設備用作傳感器，用來探測新的物理現象。」這項研究的其中一名研究人員斯瓦蒂·辛格(Swati Singh)告訴記者。「當我讀到一篇關於某些類型的暗物質如何導致周期性應變信號的論文時，我將其與我之前關於探測脈衝星引力波的工作聯繫起來。我們最近一篇論文的目標是展示更廣泛的機械設備作為暗物質桌面傳感器的前景。」

多年來，理論物理學家一直預測存在不發射、反射或吸收光的粒子，因此無法使用傳統的物質研究工具進行探測。雖然許多研究人員試圖探測這些被稱為暗物質的粒子，但它們的確切性質仍不清楚。

計算機模擬的太空中暗物質爆炸場景

「雖然我們不知道暗物質是什麼，但我們可以通過專注於理論上激發的粒子來簡化搜索，」另一位參與最近研究的研究人員傑克·曼利(Jack Manley)告訴記者。「我們選擇尋找『超輕』暗物質：理論上比中微子還輕的粒子。」

研究人員假設超輕暗物質非常輕，甚至比中微子還輕。如果這樣的暗物質粒子存在，它們的密度將會如此之大，以至於更好地將它們視為一種滲透到銀河系中的流體，對正常物質產生波狀擾動。

參與這項研究的另一位研究人員丹尼爾·格林(Daniel Grin)告訴記者：「超輕暗物質假說是由弦理論情景驅動的，而且，它可能解釋了更平淡無奇的暗分子預測與暗物質在銀河系尺度上的分布之間的一些令人費解的差異。」

在他們的研究中，辛格、曼利、格林和他們的同事尋找一種特定類型的粒子，這種粒子導致原子大小振蕩，被稱為標量暗物質。這種振蕩對單個原子來說會很小，但在由幾個原子組成的物體中可能會放大。與這種振動自然同步的物體可能會進一步放大這種效果，就像樂器一樣。

進行這項研究的另一位研究人員達爾齊爾·威爾遜(Dalziel Wilson)告訴記者：「我們工作的一個關鍵要素是識別一類機械物體，這些物體以超輕暗物質的頻率振動，並產生非常乾淨的共振。」「我們建議在非常安靜的低溫環境中收聽這些設備，使用光作為一種介質。」

研究人員希望使用超流氦或單晶材料製成的聲學緊湊型諧振器來搜索標量暗物質候選者。他們的理論預測表明，這些諧振器可以訪問以前未探測到的很大一部分參數空間。

總體而言，辛格、曼利、格林、威爾遜和他們的同事最近進行的這項研究突出了釐米級最先進的機械系統在探測以前未被探索的區域中暗物質的潛力，單個粒子的質量從10-48千克到10-42千克不等。在未來，這些諧振器可能會在尋找暗物質方面發揮關鍵作用，特別是在超光區域。

辛格說：「通過推動量子光學和高能物理界之間的合作(就像我們讓粒子物理學家丹尼爾·格林參與其中所做的那樣)，我們可以更好地相互理解暗物質新型探測器的動機和局限性。」

暗光子，即假設在數學上與光子相似的粒子，是最受歡迎的矢量暗物質候選者之一。雖然這些粒子以前從未被觀測到，但現在有大量關於它們的理論。

在他們未來的研究中，研究人員希望使用緊湊的諧振器來搜索暗光子。他們的初步計算表明，這些機械裝置可以為暗光子與正常物質耦合的強度設定新的界限，但這一點只有通過實驗研究才能得到證實。

威爾遜說：「我們目前正在設計一個實驗來尋找矢量暗物質，它與原子的位置而不是大小有關。」簡單的弦或鼓狀機械諧振器對這種震動很敏感。有趣的是，在腔光學力學領域，測量釐米級納米弦和薄膜的量子化運動的努力，已經對這種暗物質的存在設定了新的限制。

來源：phys.org

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