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用“收音机”捕捉暗物质

日期:2018-01-08 17:57 来源:网络整理

用“收音机”捕捉暗物质

研究人员正在测试一种“收音机”的原型机,这种收音机能让他们听到来自神秘的暗物质粒子的旋律。

暗物质是一种不可见的物质,它广布宇宙之中,是普通物质的五倍之多。根据理论推测,每秒钟有数十亿的暗物质粒子穿过地球。它们仅通过引力与普通物质发生微弱的相互作用,因此我们难以注意到它们。

至今为止,研究者大部分精力都放在寻找暗物质粒子上。但是利用暗物质收音机,研究者希望找到暗物质发出的波。

另辟蹊径

直接寻找暗物质粒子的探测实验需要利用大型地下探测器。研究者们希望捕捉到暗物质粒子与探测器粒子发生碰撞的信号。然而,这种信号只会出现在暗物质粒子足够重、能在碰撞过程中产生足够能量的时候。

“如果暗物质粒子非常轻,我们更有可能通过波而不是粒子的形式探测到它们,” Peter Graham说道,他是科维理粒子天体物理和宇宙学研究所(Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology,简称KIPAC)中的理论物理学家,“我们的设备会让研究朝另一个方向发展。”

暗物质收音机利用了量子力学中一个称为“波粒二象性”奇特的概念:单个粒子可以表现出波的特性。

以光子为例:这是一种没有质量,可以传递电磁相互作用的基本粒子。光子流可以形成我们所说的光,光和无线电波一样,本质上都是电磁波。

暗物质收音机将会搜选两种暗物质粒子的候选者。它可以寻找暗光子——这是一种假想存在的光子的亲戚,具有微小的质量。探测器也可以用来寻找轴子,科学家认为这种粒子可以由光产生,且在磁场中可以转变回光。

“寻找暗光子是一个未被探索过的全新领域”,斯坦福大学实验小组的研究生Saptarshi Chaudhuri说到。“至于轴子,暗物质收音机可以填补现有实验的研究空白。”

拦截暗物质共鸣信号

一台普通的收音机通过天线接收电波,并将其转化为声音。通过调节电路,收听者可以选择一个电台,电路中的电流可以在特定的频率发生振荡。如果电路的振荡频率与电台的频率相同,发生共振,听众就可以收听到广播了。

暗物质收音机以相同的方式工作。其核心为一个可以调节共振频率的电路。如果设备的频率调节到与暗物质粒子波相同的频率,电路会发生共振。科学家可以测量共振频率,并揭示暗物质粒子的质量。

这个实验的思路就是进行频率扫描,缓慢地调节设备,使其经过不同的频率,就像调节收音机的时候,把旋钮从一端转到另一端一样。

来自暗物质波的电信号应该是非常微弱的。因此,Graham寻求了KIPAC的另一位研究者Kent Irwin 的帮助。Irwin的小组正在开发一种名为超导量子干涉器(superconducting quantum interference devices,简称SQUIDs)的高灵敏度的磁力仪,该仪器能与极低噪音的放大器匹配,用来探寻潜在信号。

用“收音机”捕捉暗物质

暗物质收音机被放置在一个2mm厚的超导铌的保护层中。当被放入底下的蓝色保温真空瓶中并被液氦冷却后,这个保护层会阻隔来自外界比如广播电台的干扰,但很容易被暗物质穿透。(图片来源:Dawn Harmer/SLAC)

在最终的设计中,暗物质收音机将寻找质量在万亿分之一到百万分之一电子伏特之间的粒子(一个电子伏特相当于十亿分之一个质子的质量)。但问题在于,这个区间覆盖到从千赫到千兆赫频率范围——也就是无线广播的频率。

“把干扰电波屏蔽掉是一件非常重要,又非常具有挑战性的事情。”Irwin说道,“实际上,我们需要好几米厚的铜层才能实现屏蔽。幸运的是,我们也可以用薄的超导金属层来实现同样的效果。”

暗物质收音机的一个好处就是它不需要屏蔽宇宙射线。直接寻找暗物质粒子的探测研究必须在较深的地下运作,以屏蔽来自宇宙的粒子,而暗物质收音机则可以在大学的地下室工作。

研究者现在正在斯坦福大学测试一个小尺寸的原型机,它会扫描一个相对较窄的频率范围。他们最终计划是分别在斯坦福和SLAC国家加速器实验室运作两台独立的、全尺寸的仪器。

“这是令人兴奋的新领域,” KIPAC一位博士后兼项目组成员 Arran Phipps说道,“我们能用一种相对来说低预算、低风险的设备尝试一种新的探测方法,这很棒。”

暗物质电台DJ们已经迈出了第一步,并计划在未来几年进一步开展对暗物质的研究。你也可以把频率调节到暗物质频道,继续收听未来的实验结果。

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