暗物质探测:重新利用光学机械加速计来寻找暗物质

寻找暗物质

Jack Manley(左)是UD的博士生,Swati Singh是电气和计算机工程系的助理教授。资料来源:埃文·克拉普(Evan kape)拍摄,杰弗里·c·蔡斯(Jeffrey C. Chase)合成

科学家们确信暗物质的存在。然而,经过50多年的搜寻,他们仍然没有找到这种神秘物质的直接证据。

特拉华大学的斯瓦特·辛格(Swati Singh)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。

“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辛格说。

现在,辛格,一名UD的博士生杰克·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。该团队最近在一篇发表于《科学》杂志的论文中报道了他们的方法物理评论快报

该论文的合著者包括来自亚利桑那州的光学科学助理教授达尔齐尔·威尔逊、亚利桑那州的博士生米图尔·戴伊·乔杜里和哈弗福德学院的物理学助理教授丹尼尔·格林。

不平凡的事

辛格解释说,如果把所有发光的物质加起来,比如恒星、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,比如气体、尘埃、恒星、行星和我们。

“它可能是由黑洞组成的,也可能是由比电子小数万亿倍的东西组成的,被称为超轻暗物质,”辛格说。她是一名量子理论家,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是由暗光子组成的,暗光子是一种暗物质,它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和她的合作者说,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,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,”该论文的第一作者曼利说。

威尔逊是一名量子实验家,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。他说:“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,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,研究人员将从反射光得知暗光子的存在,因为氮化硅和铍具有不同的材料属性。

曼利说,协作是开发实验设计的关键部分。他和Singh(理论家)与Wilson和Dey Chowdhury(实验家)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,宇宙学家格林帮助阐明了超轻暗物质的粒子物理学方面,比如为什么它会是超轻的,为什么它可能会与不同的物质产生不同的耦合,以及它可能是如何产生的。

作为一名理论家,曼利说,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辛格开发的理论,加深了他的专业知识,同时拓宽了他可能的职业道路。

越来越多的作品

重要的是,这项最新的工作是建立在先前发表的研究去年夏天发表在《物理评论快报》上的一篇报道。这篇论文,包括了前UD研究生罗素·斯汤普的贡献,显示了一些现有的和近期实验室规模的设备足够敏感,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。而小波动的大小则是单一的原子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,则可以进一步放大,这可能很难注意到。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,发现这些传感器可以用来检测暗物质引起的应变信号。

这两个项目都得到了印度国家科学基金会(National Science Foundation)的部分资助,以探索相关的新想法使用最先进的量子设备来探测天体物理现象使用比其他方法更小、更便宜的桌面技术。

辛格说,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。

辛格和曼利也在与其他实验小组合作,开发额外的桌面传感器,以寻找此类暗物质或其他微弱的天体物理信号。他们还积极在暗物质和量子传感器领域内就这个话题展开更广泛的讨论。

例如,Singh最近在能源部高级探测器协调小组(CPAD)组织的虚拟讲习班上讨论了粒子物理探测器仪器的变革进展。她还在美国物理学会4月会议期间的一个特别研讨会上展示了这些结果。

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

参考文献:《用光学机械加速度计寻找矢量暗物质》,作者:Jack Manley、Mitul Dey Chowdhury、Daniel Grin、Swati Singh和Dalziel J. Wilson, 2021年2月10日,物理评论快报
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.126.061301

2的评论关于“暗物质探测:利用光学机械加速度计寻找暗物质”

  1. 霍华德·杰弗里·本德|2021年5月8日下午4:14|回复

    我也确信暗物质的存在,而且它不是普通的物质。弦理论的一种观点认为它实际上是伪物质。

    暗物质在我们看来是弦/反弦湮灭的效应。你们可能知道,量子力学要求弦必须在量子泡沫中成对形成——弦和反弦——它们会立即相互湮灭。量子力学还要求弦和反弦都被“抖动”包围,以减少它们巨大的振动能量。如果这种抖动在它们的弦/反弦湮灭后仍然保持了一小段时间呢?这种暂时的颤动会被我们看作是在它也回到泡沫之前的那一瞬间的物质。这就是为什么我们永远看不到它的原因——“质量”只持续了那一瞬间,却不断地重复,一遍又一遍地重复。具体细节可以在我的YouTube上找到https://www.youtube.com/watch?v=N84yISQvGCk

  2. BibhutibhusanPatel|2021年5月8日下午6:12|回复

    Daŕk光子存在于子在特定experimentaĺ条件非常低的坦佩ŕabß附近þuŕe oĺuteźero。这些黑暗phòtons aŕe pŕseñt unìveral añď黑暗iñ natùre oŕ beýond knowĺedge的exìsting Physìcs,所以,

留下你的评论

邮件地址是可选的。如果提供,您的电子邮件将不会被发布或共享。