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找到暗物质只是时间问题:美国在废弃金矿外开辟探测新战场

2018-04-10 09:39:13      参与评论()人

轴子的质量非常小,可能只有电子质量的万亿分之一,相互作用也更弱,无法像WIMP那样通过碰撞探测到。不过,在强磁场下,轴子会转化为光子。光子信号被谐振腔增强后,就能被探测器“听”到。

又黑又冷的收音机

“你就想象成一个收音机吧,”ADMX实验发言人Cray Rybka表示,“我们造了个收音机来寻找一个不知道频率的电台,慢慢地边听边调频。如果频率调对了,我们就能听到。”

这台“收音机”需要造得又黑又冷,才能“听”到轴子转化成的光子。早在上个世纪,ADMX的初代探测器就已建成,但无法摆脱来自热辐射和机器自身电子器件的噪音。

降低热辐射干扰比较简单:将探测器降温至0.1开尔文(零下273.05摄氏度)左右。消除机器自身的电子器件噪音就麻烦得多。直到探测器最近用上了超导量子放大器,精度才真正达标了。

“配置传统半导体放大器的初代实验,可能需要数百年的时间才能扫完轴子可能的质量区间。用上超导探测器后,我们扫完这些区间仅需数年。”ADMX实验发言人另一发言人Gianpaolo Carosi表示。

开辟新的战场

WIMP模型多年来一直是人类追捕暗物质最受青睐的方向。它能很好地解释宇宙的演化和暗物质的大量存在。此外,WIMP的属性完美吻合了一度极富吸引力的超对称理论。

国际上WIMP探测器的规模不断升级、灵敏度也不断提高,但千米深的地底下始终未传来佳音。2017年10月,欧洲XENON和中国PandaX在同期《物理评论快报》上发表了最新结果,依然没有带来决定性的证据。

沮丧的气氛开始蔓延。“不是说要从WIMP模型全线撤退,但确实该转移重心了。”费米实验室的物理学家Dan Hooper当时评价道。

这次ADME探测器的全新升级,或许是轴子模型“转正”路上浓墨重彩的一笔。

目前,中国的锦屏地下实验室里有两支暗物质探测团队,一支来自清华大华,一支来自上海交通大学。他们锁定的目标均为WIMP,不过在探测过程中,也能为轴子模型提出一些限制。

除了直接探测之外,科学家们还寄希望于间接探测暗物质。即暗物质本身虽不可见,但它们可能会像正常粒子一样衰变或湮灭,产生可见的物质,从而留下痕迹。美国国家航空航天局的费米空间望远镜、国际空间站中由丁肇中领导的阿尔法磁谱仪、中国科学院的“悟空”号卫星,就在太空中追踪暗物质湮灭的魅影。欧洲核子中心著名的大型强子对撞机(LHC)也在寻找类似的线索。

宇宙中将近85%的物质都是暗物质。在揭晓它的庐山真面目之前,人类对宇宙的根本性认识恐怕很难再进一步。

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