科學(xué)家們確信暗物質(zhì)存在。然而，經(jīng)過50多年的尋找，他們?nèi)匀粵]有直接證據(jù)證明這種神秘物質(zhì)。

特拉華大學(xué)的斯瓦蒂·辛格（Swati Singh）是暗物質(zhì)界的一小群研究人員之一，他們開始懷疑他們是否在尋找正確類型的暗物質(zhì)。

“如果暗物質(zhì)比傳統(tǒng)粒子物理實(shí)驗(yàn)所尋找的要輕得多呢？”UD電氣和計(jì)算機(jī)工程助理教授辛格說。

現(xiàn)在，辛格，UD博士生杰克曼利以及亞利桑那大學(xué)和哈弗福德學(xué)院的合作者提出了一種新的方法，通過重新利用現(xiàn)有的桌面?zhèn)鞲衅骷夹g(shù)來尋找可能構(gòu)成暗物質(zhì)的粒子。該團(tuán)隊(duì)最近在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表的一篇論文中報(bào)告了他們的方法。

該論文的共同作者包括來自亞利桑那州的光學(xué)科學(xué)助理教授Dalziel Wilson，亞利桑那州博士生Mitul Dey Chowdhury和Haverford College物理學(xué)助理教授Daniel Grin。

不是平凡的事情

辛格解釋說，如果把所有發(fā)光的東西加起來，比如恒星、行星和星際氣體，它只占宇宙中物質(zhì)的15%左右。另外85%被稱為暗物質(zhì)。它不發(fā)光，但研究人員知道它的存在是因?yàn)樗�的引力效�?yīng)。他們也知道這不是普通的物質(zhì)，比如氣體、塵埃、恒星、行星和我們。

“它可以由黑洞組成，也可以由比電子小數(shù)萬億倍的東西組成，稱為超輕暗物質(zhì)，”量子理論家辛格說，她以推動(dòng)機(jī)械暗物質(zhì)探測的開創(chuàng)性努力而聞名。

一種可能性是暗物質(zhì)由暗光子組成，暗光子是一種暗物質(zhì)，會(huì)對(duì)正常物質(zhì)施加微弱的振蕩力，導(dǎo)致粒子來回移動(dòng)。然而，由于暗物質(zhì)無處不在，它會(huì)對(duì)一切事物施加這種力，因此很難測量這種運(yùn)動(dòng)。

Singh和她的合作者說，他們認(rèn)為他們可以通過使用光機(jī)械加速度計(jì)作為傳感器來檢測和放大這種振蕩來克服這一障礙。

“如果力是材料依賴性的，通過使用由不同材料組成的兩個(gè)物體，它們被強(qiáng)迫的量將不同，這意味著你將能夠測量兩種材料之間的加速度差異，”該論文的作者曼利說。

威爾遜是一位量子實(shí)驗(yàn)家，也是UD團(tuán)隊(duì)的合作者之一，他將光機(jī)械加速度計(jì)比作微型音叉�！斑@是一種振動(dòng)裝置，由于其體積小，對(duì)環(huán)境的擾動(dòng)非常敏感，”他說。

現(xiàn)在，研究人員提出了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，使用由氮化硅制成的膜和固定的鈹鏡在兩個(gè)表面之間反射光線。如果兩種材料之間的距離發(fā)生變化，研究人員將從反射光中知道暗光子的存在，因?yàn)榈�化硅和鈹具有不同的材料特性�?/p>

根據(jù)Manley的說法，合作是開發(fā)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。他和Singh（理論家）與Wilson和Dey Chowdhury（實(shí)驗(yàn)學(xué)家）合作進(jìn)行理論計(jì)算，這些計(jì)算進(jìn)入了構(gòu)建他們提出的桌面加速度計(jì)傳感器的詳細(xì)藍(lán)圖。與此同時(shí)，宇宙學(xué)家格林幫助闡明了超輕暗物質(zhì)的粒子物理學(xué)方面，例如為什么它會(huì)是超輕的，為什么它可能以不同的方式與材料耦合以及如何產(chǎn)生。

作為一名理論家，曼利說，有機(jī)會(huì)更多地了解設(shè)備的工作原理以及實(shí)驗(yàn)學(xué)家如何構(gòu)建東西來證明他和辛格開發(fā)的理論，這加深了他的專業(yè)知識(shí)，同時(shí)擴(kuò)大了他對(duì)可能的職業(yè)道路的接觸。

重要的是，這項(xiàng)工作建立在合作團(tuán)隊(duì)先前發(fā)表的研究的基礎(chǔ)上，去年夏天在《物理評(píng)論快報(bào)》上報(bào)道。這篇論文包括前UD研究生Russell Stump的貢獻(xiàn)，表明幾個(gè)現(xiàn)有和近期實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的設(shè)備足夠敏感，可以檢測或排除可能是超輕暗物質(zhì)的可能粒子。

該研究報(bào)告稱，某些類型的超輕暗物質(zhì)會(huì)與正常物質(zhì)連接或耦合，從而導(dǎo)致原子大小的周期性變化。雖然單個(gè)原子大小的微小波動(dòng)可能難以注意到，但這種效應(yīng)在由許多原子組成的物體中被放大，如果該物體是聲諧振器，則可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的放大。該合作評(píng)估了由從超流體氦到單晶藍(lán)寶石等不同材料制成的幾種諧振器的性能，并發(fā)現(xiàn)這些傳感器可用于檢測暗物質(zhì)誘導(dǎo)的應(yīng)變信號(hào)。

這兩個(gè)項(xiàng)目都得到了辛格從美國國家科學(xué)基金會(huì)獲得的資助，以探索圍繞使用先進(jìn)的量子設(shè)備使用比其他方法更小、更便宜的桌面技術(shù)檢測天體物理現(xiàn)象的新興想法。

辛格說，這些論文共同擴(kuò)展了關(guān)于探測暗物質(zhì)的可能方法的工作主體，并提出了新一代桌面實(shí)驗(yàn)的可能性。

Singh和Manley也在與其他實(shí)驗(yàn)小組合作，開發(fā)額外的桌面?zhèn)鞲衅鱽韺ふ疫@種暗物質(zhì)或其他微弱的天體物理信號(hào)。他們還在暗物質(zhì)和量子傳感器社區(qū)內(nèi)積極開展關(guān)于這一主題的更廣泛討論。

例如，辛格最近在能源部探測器協(xié)調(diào)小組（CPAD）組織的虛擬研討會(huì)上討論了粒子物理探測器的轉(zhuǎn)型儀器進(jìn)展。她還在美國物理學(xué)會(huì)四月會(huì)議期間的一個(gè)特別研討會(huì)上介紹了這些結(jié)果。

“這是一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)刻，我從來自不同背景的科學(xué)家在這些研討會(huì)上提出的問題中學(xué)到了很多東西，”辛格說�！暗�值得注意的是，我原始的研究想法仍然來自好奇的學(xué)生提出的問題。