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研究人员提议重新利用桌面传感器来搜索暗物质
来源:互联网 发表于 2023/5/9

科学家们确信暗物质存在。然而,经过50多年的寻找,他们仍然没有直接证据证明这种神秘物质。


特拉华大学的斯瓦蒂·辛格(swati singh)是暗物质界的一小群研究人员之一,他们开始怀疑他们是否在寻找正确类型的暗物质。


“如果暗物质比传统粒子物理实验所寻找的要轻得多呢?”ud电气和计算机工程助理教授辛格说。


现在,辛格,ud博士生杰克曼利以及亚利桑那大学和哈弗福德学院的合作者提出了一种新的方法,通过重新利用现有的桌面传感器技术来寻找可能构成暗物质的粒子。该团队最近在《物理评论快报》上发表的一篇论文中报告了他们的方法。


该论文的共同作者包括来自亚利桑那州的光学科学助理教授dalziel wilson,亚利桑那州博士生mitul dey chowdhury和haverford college物理学助理教授daniel grin。


不是平凡的事情

辛格解释说,如果把所有发光的东西加起来,比如恒星、行星和星际气体,它只占宇宙中物质的15%左右。另外85%被称为暗物质。它不发光,但研究人员知道它的存在是因为它的引力效应。他们也知道这不是普通的物质,比如气体、尘埃、恒星、行星和我们。


“它可以由黑洞组成,也可以由比电子小数万亿倍的东西组成,称为超轻暗物质,”量子理论家辛格说,她以推动机械暗物质探测的开创性努力而闻名。


一种可能性是暗物质由暗光子组成,暗光子是一种暗物质,会对正常物质施加微弱的振荡力,导致粒子来回移动。然而,由于暗物质无处不在,它会对一切事物施加这种力,因此很难测量这种运动。


singh和她的合作者说,他们认为他们可以通过使用光机械加速度计作为传感器来检测和放大这种振荡来克服这一障碍。


“如果力是材料依赖性的,通过使用由不同材料组成的两个物体,它们被强迫的量将不同,这意味着你将能够测量两种材料之间的加速度差异,”该论文的作者曼利说。


威尔逊是一位量子实验家,也是ud团队的合作者之一,他将光机械加速度计比作微型音叉。“这是一种振动装置,由于其体积小,对环境的扰动非常敏感,”他说。


现在,研究人员提出了一项实验,使用由氮化硅制成的膜和固定的铍镜在两个表面之间反射光线。如果两种材料之间的距离发生变化,研究人员将从反射光中知道暗光子的存在,因为氮化硅和铍具有不同的材料特性。


根据manley的说法,合作是开发实验设计的关键部分。他和singh(理论家)与wilson和dey chowdhury(实验学家)合作进行理论计算,这些计算进入了构建他们提出的桌面加速度计传感器的详细蓝图。与此同时,宇宙学家格林帮助阐明了超轻暗物质的粒子物理学方面,例如为什么它会是超轻的,为什么它可能以不同的方式与材料耦合以及如何产生。


作为一名理论家,曼利说,有机会更多地了解设备的工作原理以及实验学家如何构建东西来证明他和辛格开发的理论,这加深了他的专业知识,同时扩大了他对可能的职业道路的接触。


重要的是,这项工作建立在合作团队先前发表的研究的基础上,去年夏天在《物理评论快报》上报道。这篇论文包括前ud研究生russell stump的贡献,表明几个现有和近期实验室规模的设备足够敏感,可以检测或排除可能是超轻暗物质的可能粒子。


该研究报告称,某些类型的超轻暗物质会与正常物质连接或耦合,从而导致原子大小的周期性变化。虽然单个原子大小的微小波动可能难以注意到,但这种效应在由许多原子组成的物体中被放大,如果该物体是声谐振器,则可以实现进一步的放大。该合作评估了由从超流体氦到单晶蓝宝石等不同材料制成的几种谐振器的性能,并发现这些传感器可用于检测暗物质诱导的应变信号。


这两个项目都得到了辛格从美国国家科学基金会获得的资助,以探索围绕使用先进的量子设备使用比其他方法更小、更便宜的桌面技术检测天体物理现象的新兴想法。


辛格说,这些论文共同扩展了关于探测暗物质的可能方法的工作主体,并提出了新一代桌面实验的可能性。


singh和manley也在与其他实验小组合作,开发额外的桌面传感器来寻找这种暗物质或其他微弱的天体物理信号。他们还在暗物质和量子传感器社区内积极开展关于这一主题的更广泛讨论。


例如,辛格最近在能源部探测器协调小组(cpad)组织的虚拟研讨会上讨论了粒子物理探测器的转型仪器进展。她还在美国物理学会四月会议期间的一个特别研讨会上介绍了这些结果。


“这是一个激动人心的时刻,我从来自不同背景的科学家在这些研讨会上提出的问题中学到了很多东西,”辛格说。“但值得注意的是,我原始的研究想法仍然来自好奇的学生提出的问题。

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