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科学家重新利用光学机械加速计来寻找暗物质

2021-05-09 14:02 · 稿源:cnbeta

据外媒报道,科学家们确信暗物质的存在。然而经过50多年的搜寻,他们仍没有找到这种神秘物质的直接证据。来自特拉华大学(UD)的Swati Singh就是横跨暗物质学界的一小群研究人员之一,他们开始怀疑自己是否在寻找正确的暗物质类型。

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“如果暗物质比传统粒子物理实验要寻找的轻得多呢?”UD的电子和计算机工程助理教授Singh说道。

现在,Singh及一名UD博士生Jack Manley提出了一种新的方法,即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《Physical Review Letters》上发表的一篇论文中报告了他们的方法。

该论文的合著者还包括来自亚利桑那州的光学科学助理教授Dalziel Wilson、亚利桑那州的博士生Mitul Dey Chowdhury和哈弗福德学院的物理学助理教授Daniel Grin。

Singh解释称,如果把所有发光的物质加起来如恒星、行星和星际气体,它们只占宇宙物质的15%。另外的85%被称为暗物质。它不发光,但研究人员通过它的引力效应知道它的存在。他们也知道它不是普通物质如气体、尘埃、恒星、行星和我们。

“它可能是由黑洞组成,也可能是由比电子小数万亿倍的东西组成,其被称为超轻暗物质,”Singh说道。她是一名量子理论家,以推动机械暗物质探测的开创性而闻名。

其中一种可能性是暗物质是由暗光子组成,暗光子是一种暗物质,它会对正常物质施加微弱的振荡力进而导致粒子来回移动。然而,由于暗物质无处不在,它对任何事物都施加这种力,因此很难测量这种运动。

Singh和她的合作者指出,他们认为可以通过光电加速度计作为传感器来检测和放大这种振荡来克服这个障碍。

“如果力是材料相关的,那么通过使用两个由不同材料组成的物体,它们受到的力就会不同,这意味着你可以测量两种材料之间的加速度差异,”该论文的第一作者Manley说道。

Wilson是一名量子实验家,也是UD团队的合作者之一,他把光学机械加速计比作一个微型音叉。“这是一种振动装置,由于体积小,对环境扰动非常敏感。”

现在,研究人员提出了一项实验,即利用氮化硅薄膜和一个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,那么研究人员将从反射光得知暗光子的存在--因为氮化硅和铍拥有不同的材料属性。

Manly表示,协作是开发实验设计的关键部分。他跟Singh及Wilson和Dey Chowdhury一起进行了理论计算,这些计算进入了建造他们提议的桌面加速度计传感器的详细蓝图。与此同时,宇宙学家Grin还帮助阐明了超轻暗物质的粒子物理学方面。

作为一名理论家,Manly表示,有机会更多地了解设备是如何工作的以及实验人员如何建造东西来证明他和Singh开发的理论加深了他的专业知识同时还拓宽了他可能的职业道路。

重要的是,这项最新的工作建立在合作团队于去年夏天发表在《Physical Review》上的研究。这篇论文显示了一些现有的和近期实验室规模的设备足够敏感到可以探测或排除可能是超轻暗物质的粒子。该研究报告称,某些类型的超轻暗物质会以某种方式与正常物质连接或配对从而导致原子大小的周期性变化。虽然单个原子大小的小波动可能难以注意到,但这种效应在由多个原子组成的物体中会被放大,如果该物体是声谐振器则可以实现进一步放大。该合作评估了几种不同材料制成的谐振器的性能--从超流氦到单晶蓝宝石,结果发现这些传感器可以用来检测暗物质引起的应变信号。

据悉,这两个项目都得到了来自国家科学基金会的部分资助。

Singh表示,这些论文一起扩展了关于已知的探测暗物质的可能方法的工作并提出了新一代桌面实验的可能性。

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