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)粒子物理實驗所尋找的要輕得多呢？”UD電氣和計算機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。該團隊最近在《物理評論快報》上發(fā)表的一篇論文中報告了他們的方法。

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為它的引力效應(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，她以推動機械暗物質(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)，會對正常物質(zhì)施加微弱的振蕩力，導(dǎo)致粒子來回移動。然而，由于暗物質(zhì)無處不在，它會對一切事物施加這種力，因此很難測量這種運動。

Singh和她的合作者說，他們認(rèn)為他們可以通過使用光機械加速度計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物體，它們被強迫的量將不同，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驗家，也是UD團隊的合作者之一，他將光機械加速度計比作微型音叉�！斑@是一種振動裝置，由于其體積小，對環(huán)境的擾動非常敏感，”他說。

現(xiàn)在，研究人員提出了一項實驗，使用由氮化硅制成的膜和固定的鈹鏡在兩個表面之間反射光線。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，因為氮化硅和鈹具有不同的材料特性。

根據(jù)Manley的說法，合作是開發(fā)實驗設(shè)計的關(guān)鍵部分。他和Singh（理論家）與Wilson和Dey Chowdhury（實驗學(xué)家）合作進行理論計算，這些計算進入了構(gòu)建他們提出的桌面加速度計傳感器的詳細(xì)藍(lán)圖。與此同時，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，有機會更多地了解設(shè)備的工作原理以及實驗學(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，同時擴大了他對可能的職業(yè)道路的接觸。

重要的是，這項工作建立在合作團隊先前發(fā)表的研究的基礎(chǔ)上，去年夏天在《物理評論快報》上報道。這篇論文包括前UD研究生Russell Stump的貢獻，表明幾個現(xiàn)有和近期實驗室規(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。

該研究報告稱，某些類型的超輕暗物質(zhì)會與正常物質(zhì)連接或耦合，從而導(dǎo)致原子大小的周期性變化。雖然單個原子大小的微小波動可能難以注意到，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，則可以實現(xiàn)進一步的放大。該合作評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。

這兩個項目都得到了辛格從美國國家科學(xué)基金會獲得的資助，以探索圍繞使用先進的量子設(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驗的可能性。

Singh和Manley也在與其他實驗小組合作，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。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）組織的虛擬研討會上討論了粒子物理探測器的轉(zhuǎn)型儀器進展。她還在美國物理學(xué)會四月會議期間的一個特別研討會上介紹了這些結(jié)果。

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