科学家提出搜寻暗物质的新方法

科学家提出搜寻暗物质的新方法自暗物质被发现以来，科学家们一直未能探测到它，即使几十年来在世界各地部署了多个超灵敏粒子探测器实验也无济于事。现在，美国能源部（DOE）SLAC国家加速器实验室的物理学家们提出了一种利用量子设备寻找暗物质的新方法。SLAC物理学家丽贝卡-利恩（RebeccaLeane）是这项新研究的作者之一，她认为大多数暗物质实验都在寻找银河系暗物质，这种暗物质会直接从太空发射到地球上，但另一种暗物质可能已经在地球周围徘徊了很多年。利恩说："暗物质进入地球后，会四处弹跳，最终被地球的引力场困住。随着时间的推移，这种热化暗物质的密度会比少数松散的星系粒子更高，这意味着它更有可能撞上探测器。不幸的是，热化暗物质的移动速度要比银河系暗物质慢得多，这意味着它传递的能量要比银河系暗物质少得多--传统探测器可能无法看到。"有鉴于此，利恩和SLAC博士后研究员阿尼尔班-达斯找到了SLAC的科学家诺亚-库林斯基，他是一个新实验室的负责人，主要研究用量子传感器探测暗物质。库林斯基说，科学家通常认为这是因为冷却系统不完善或环境中存在热源。但他说，可能还有其他原因："如果我们实际上有一个完美的冷系统，而我们无法有效冷却它的原因是它不断受到暗物质的轰击呢？"达斯、库林斯基和利恩想知道，超导量子设备是否可以重新设计为热化暗物质探测器。根据他们的计算，激活量子传感器所需的最小能量足够低，约为千分之一电子伏特，因此它可以探测到低能量的银河系暗物质以及悬浮在地球周围的热化暗物质粒子。当然，这并不意味着暗物质是量子设备失灵的罪魁祸首--只是说它是可能的，下一步就是要弄清楚他们能否以及如何将敏感的量子设备变成暗物质探测器。因此，有几件事需要考虑。首先，也许有更好的材料来制造这种装置。利恩说："我们一开始考虑的是铝，这只是因为铝可能是迄今为止用于探测器的特性最好的材料。但事实可能证明，对于我们正在研究的质量范围和我们想要使用的探测器类型，也许有更好的材料。"利恩说，还有一种可能性是，热化暗物质与量子设备的相互作用不会像银河系暗物质被怀疑与直接探测设备的相互作用那样。在这项研究中只是考虑了暗物质进入并直接弹开探测器的简单情况，但它还可以做很多其他事情。例如，其他粒子可能与暗物质相互作用，改变探测器中粒子的分布方式。"这就是在SLAC工作的好处之一。我们确实有相当多样化的小组在从事许多不同的科学研究，我觉得这个项目是SLAC研究的一个非常好的协同效应。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1429970.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1429970.htm

寻找暗物质 - 一种前景光明的新方法

寻找暗物质-一种前景光明的新方法宇宙中约80%的物质是一种未被发现的物质，称为"暗物质"。虽然理论上认为暗物质的存在已经有大约90年的历史，但JEDI合作组织的科学家们利用先进的粒子加速器技术，正在开发新的方法来探测暗物质，尽管确凿的证据仍然难以捉摸。该研究的合著者之一约尔格-普雷茨（JörgPretz）解释说："这是协调星系内可见物质的速度分布与现有知识的唯一方法，一种以前未观察到的'暗'物质形式必须额外地稳定星系"。他同时也是尤里希研究中心核物理研究所的副所长和亚琛工业大学的教授自20世纪30年代以来，物理学家一直在寻找这种物质。科学界不乏各种理论，但还没有人成功地探测到暗物质。沃尔克-海尼博士（VolkerHejny）说："这是因为暗物质的性质还完全不清楚。"海尼博士也来自于尤利希核物理研究所，和他的同事约尔格-普雷茨（JörgPretz）一样，也是进行这项实验的国际JEDI合作组织的成员。JEDI是JülichElectricDipolemomentInvestigations的缩写，参与合作的科学家自2011年以来一直致力于测量带电粒子的电偶极矩。"暗物质是不可见的，迄今为止只是通过其引力间接地显现出来。它的影响相对微小，这就是为什么只有在质量极大的情况下--比如整个星系--暗物质才会真正显现出来"。理论物理学家已经提出了一些暗物质可能由其组成的假想基本粒子。根据这些粒子的特性，可以使用各种方法来探测它们--这些方法不需要高度复杂的引力效应探测。这些方法包括轴子和类轴子粒子。在他们的实验中，JEDI的科学家们利用了尤利希粒子加速器COSY的一个特殊功能：使用偏振光束。图片来源：ForschungszentrumJülich/Ralf-UweLimbach"轴子最初是为了解决量子色动力学强相互作用理论中的一个问题，"Pretz解释道。"轴子这个名字可以追溯到诺贝尔物理学奖得主弗兰克-威尔切克（FrankWilczek），指的是一种洗涤剂品牌：可以说，这种粒子的存在是为了'清理'物理学理论。"为了探测轴子，JEDI合作项目的科学家们利用了粒子的自旋。"自旋是量子力学的一个独特性质，它使粒子表现得像小型条形磁铁，"Hejny解释说。"例如，医学成像中的磁共振成像（简称MRI）就利用了这一特性。作为这一过程的一部分，原子核的自旋会被强大的外部磁场激发。"核磁共振成像技术也被用来寻找暗物质。在普通核磁共振成像中，原子处于静止状态，而在加速器中，粒子几乎以光速运动。这使得某些领域的检查更加灵敏，测量更加精确。在他们的实验中，JEDI的科学家们利用了尤利希粒子加速器COSY的一个特殊功能，即使用偏振光束。"在传统的粒子束中，粒子的自旋方向是随机的，"Pretz说。"而在偏振粒子束中，自旋是朝一个方向排列的"。全世界只有少数加速器具备这种能力。"如果正如科学家们所猜测的那样，我们周围存在轴子的背景场，那么这将影响自旋的运动--因此最终可能在实验中被检测到。然而，预期的影响微乎其微。测量还不够精确。不过，虽然JEDI实验还没有发现暗物质粒子的证据，但研究人员已经设法进一步缩小了可能的相互作用效应的范围。也许更重要的是，他们能够在寻找暗物质的过程中建立一种新的、有前途的方法。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1385203.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1385203.htm

在太空中部署一个原子钟 - 揭开暗物质秘密的新方法

在太空中部署一个原子钟-揭开暗物质秘密的新方法这些搜索的一个关键组成部分是关于暗物质局部密度的假设，它决定了在任何给定时间内通过探测器的暗物质粒子的数量，从而决定了实验灵敏度。在一些模型中，这个密度可能比通常假设的要高得多，而且暗物质在某些区域比其他区域更加集中。一类重要的实验搜索是使用原子或原子核的搜索，因为这些搜索对暗物质的信号取得了相当高的灵敏度。这是可能的，部分原因是当暗物质粒子具有非常小的质量时，它们会在自然界的常数中引起振荡。这些振荡例如电子的质量或电磁力的相互作用强度的振荡以可预测的方式改变原子和原子核的过渡能量。艺术家对用于揭示暗物质的空间原子钟的印象。资料来源：卡弗里IPMU一个国际研究小组，加州大学欧文分校卡弗里宇宙物理与数学研究所（KavliIPMU）项目研究员JoshuaEby、博士后Yu-DaiTsai和特拉华大学教授MariannaS.Safronova，从这些振荡信号中看到了潜力。他们表示，在太阳系的一个特定区域，即水星和太阳的轨道之间，暗物质的密度比较大，这将意味着对振荡信号的异常敏感。这些信号可以被原子钟接收到，原子钟通过仔细测量原子中不同状态转换时发出的光子的频率来运行。在时钟实验附近的超轻暗物质可以修改这些频率，因为暗物质的振荡会稍微增加和减少光子的能量。"实验周围的暗物质越多，这些振荡就越大，所以在分析信号时，暗物质的局部密度非常重要，"埃比说。虽然太阳附近暗物质的精确密度并不为人所知，但研究人员认为，即使是一个相对低灵敏度的搜索也能提供重要的信息。在太阳系中，暗物质的密度只受到有关行星轨道信息的制约。在太阳和水星（离太阳最近的行星）之间的区域几乎没有约束。因此，在航天器上进行的测量可以迅速发现这些模型中暗物质的世界领先的限制。对他们的理论进行测试的技术已经存在。埃比说，美国宇航局的帕克太阳探测器自2018年以来一直在运行，它比历史上任何人造飞船都更接近太阳，目前正在水星的轨道内运行，并计划在一年内更接近太阳。"长距离的太空任务，包括未来可能的火星任务，将需要特殊的计时，就像太空中的原子钟所提供的那样。"Eby说："一个可能的未来任务，其屏蔽和轨迹与帕克太阳探测器非常相似，但携带一个原子钟装置，可能足以进行这种搜索。"他们的研究细节于12月5日发表在《自然-天文学》上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1336749.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1336749.htm

澳大利亚暗物质探测器以独特的优势加入寻找行列

澳大利亚暗物质探测器以独特的优势加入寻找行列据NewAtlas报道，南半球的第一个暗物质探测器已经正式启用。斯托尔地下物理实验室（SUPL）建在澳大利亚一个废弃的金矿中，其目的是利用其在全球的独特位置，最终从被认为充斥着宇宙的神秘物质中获取信号。几十年的天文观测表明，宇宙中的事物远不止眼前所见。根据我们可以看到的物质的质量，引力效应是说不通的，这导致天体物理学家推断，那里有更多我们看不到的物质。这种所谓的暗物质不会发射或与光相互作用，也很少与正常物质相互作用。偶尔，一个暗物质粒子可能会撞上一个常规物质的原子，并产生一个可探测的信号--尽管它们通常不可能从我们周围不断发生的所有其他互动中区分出来。但是，如果你去除所有这些干扰，理论上你应该能够探测到暗物质。这就是这个新设施背后的想法。SUPL建在地下1公里（0.6英里）处，以阻止宇宙射线到达仪器。探测器周围还有大约100吨的钢和聚合物屏蔽，以及一个液体闪烁器系统，有助于消除假阳性反应。探测器本身是一个装有50公斤（110磅）超纯碘化钠晶体的罐子，如果被呼啸而过的粒子击中，它将发出闪光。极其敏感的光探测器一直在观察这个罐子，以寻找任何此类信号。像中微子这样的其他粒子也能产生类似的闪光，但这些通常也会同时在液体闪烁体中产生信号。任何只发生在碘化钠中的闪光都可能变成难以捉摸的暗物质。整体设计对于像XENON1T和LUX这样的暗物质探测器来说是很常见的，它们使用液态氙作为探测器的体积，其他提议的使用超流体氦或过冷水的设计也是基于类似的原理。但是SUPL的主要优势在于其位置。以前的暗物质探测器都集中在北半球，所以在世界的另一端建造一个探测器可以帮助确认或排除这些早期实验报告的一些有趣的信号。例如，SUPL的姐妹设施——意大利格兰萨索国家实验室，已经发现暗物质候选信号似乎在每年6月达到高峰。乐观的解释是，这与地球轨道上的一个点相对应，在这个点上，当太阳系在银河系中移动时，地球正迎面飞过暗物质粒子的“风”。当然，悲观的解释是，其他季节性因素，如湿度波动，也在发挥作用。具有反季节性的SUPL可以帮助回答这个问题。如果它也能在每年六月检测到大量的信号涌入，这将是暗物质“风”假说的非常有力的证据。另一方面，如果它的峰值出现在12月左右，这将表明来自夏季天气的干扰。无论结果如何，SUPL都将是一个引人关注的实验室。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1306389.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1306389.htm

天文学家提出测量宇宙膨胀的新方法

天文学家提出测量宇宙膨胀的新方法解决方案的关键在于研究引力波，即天文学家于2015年首次探测到的时空涟漪。研究小组研究了引力本身如何影响引力波。当一对黑洞在宇宙舞蹈中合并成一个黑洞时，它们会发出引力波。当它们到达地球时，千米长的探测器帮助科学家研究黑洞对的特性。占据黑洞和地球之间空间的巨大星系改变了这些时空涟漪的路径，导致探测器记录到多份相同的波。天文学家称这种现象为引力透镜。这项研究的合著者帕拉梅斯瓦兰-阿吉斯（ParameswaranAjith）说："一个多世纪以来，我们一直在观测光的引力透镜现象。我们期待在未来几年内首次观测到透镜引力波！"引力波强透镜图形。资料来源：ParameswaranAjith（ICTS）未来二十年，科学家们将开始运行先进的引力波探测器，寻找合并黑洞。"未来的探测器将能够看到比现有探测器大得多的距离，"该研究的合著者之一、来自普纳天文学和天体物理学大学间中心的沙斯瓦特-J-卡帕迪亚解释说。该研究的另一位合著者、来自加州大学圣巴巴拉分校的TejaswiVenumadhav说，他们将能够探测到较弱的引力波信号，这些信号被埋没在影响现有探测器的噪声中。天文学家估计，先进的探测器将记录下几百万个黑洞对发出的信号，每个黑洞对都会合并形成一个超大型黑洞。其中，由于引力透镜作用，约有1万个黑洞合并将在同一个探测器中出现不止一次。苏维克领导的研究小组证明，通过计算这种重复黑洞合并的数量和研究它们之间的延迟，他们可以测量宇宙的膨胀率。随着未来二十年中来自先进引力波探测器的数据逐渐增多，他们的方法有可能精确测量出宇宙的膨胀率。苏维克说，研究小组的建议不需要知道产生多份引力波的单个星系的特性、与黑洞对的距离，甚至不需要知道它们在天空中的确切位置。相反，它只需要一种精确的方法，就能知道哪些信号受到了透镜作用。沙斯瓦特补充说，科学家们正在改进识别重复信号的技术。引力透镜要求天文源距离很远。这些黑洞对符合这一标准，它们可能来自133亿年前，也就是宇宙诞生后不到5亿年的地方。沙斯瓦特提醒说，只有当先进的探测器记录下数百万个黑洞合并时，他们提出的方法才会有所帮助。目前，研究小组正在研究这种未来的观测如何能够区分宇宙学家提出的不同宇宙模型。研究小组解释说，这些模型试图解开难以捉摸的暗物质之谜，暗物质是一种不与光相互作用的物质。暗物质假说解决了天文学家的难题，即解释为什么星系具有观测到的质量。然而，科学家们仍然无法确定暗物质的特性，因此产生了各种暗物质模型。研究小组正在进行的研究表明，未来对透镜引力波的观测将成为研究暗物质特性的工具。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1375607.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1375607.htm

美国能源部的新突破：用量子计算机探测暗物质

美国能源部的新突破：用量子计算机探测暗物质费米实验室的高级科学家AaronChou致力于通过量子科学探测暗物质。作为美国能源部高能物理办公室QuantISED项目的一部分，他已经开发出一种方法，使用量子比特，即量子计算系统的主要组成部分，来探测暗物质在强磁场存在下产生的单光子。经典计算机用设置为1或0的二进制比特处理信息。1和0的特定模式使计算机有可能执行某些功能和任务。然而，在量子计算中，由于一种被称为叠加的量子力学特性，量子比特在被读取之前同时存在于1和0。这一特性使量子计算机能够有效地进行复杂的计算，而经典计算机则需要花费大量的时间来完成。阿卡什-迪克西特在使用量子计算机寻找暗物质的团队工作。在这里，Dixit拿着一个含有超导量子比特的微波腔。腔体侧面有孔，就像微波炉门上的屏幕有孔一样；这些孔太小，微波无法逃逸。资料来源：RyanPostel,Fermilab为了让量子比特在这些量子水平上运行，它们必须居住在精心控制的环境中，保护它们不受外界干扰，并使它们保持持续的低温。即使是最轻微的干扰也会使量子计算机中的程序失灵。由于量子计算机的极端敏感性，研究人员意识到量子计算机可以提供一种检测暗物质的方法。其他暗物质探测器需要以量子计算机的方式进行屏蔽，这进一步巩固了这一想法。"量子计算机和暗物质探测器都必须被严格屏蔽，而唯一能跳过的就是暗物质，因此，如果人们正在以同样的要求建造量子计算机，我们就问'为什么你不能把这些东西当作暗物质探测器？"当暗物质粒子穿过一个强磁场时，它们可能会产生光子，Chou和他的团队可以用铝制光子腔内的超导量子比特进行测量。因为这些量子比特已经被屏蔽了所有其他的外部干扰，当科学家检测到一个光子的干扰时，他们可以推断出这是暗物质飞过保护层的结果。科学家AaronChou领导的实验是利用超导量子比特和空腔来寻找暗物质。Credit:ReidarHahn,Fermilab到目前为止，Chou和他的团队已经证明了这项技术是如何工作的，并且该设备对这些光子非常敏感。他们的方法比其他传感器有优势，比如能够对同一光子进行多次测量，以确保干扰不只是由另一个侥幸造成的。该设备还具有超低的噪音水平，这使得对暗物质信号的敏感度提高了。即使是最轻微的干扰也会使量子计算机中的程序失灵。凭借其极端的敏感性，AaronChou意识到量子计算机可以提供一种检测暗物质的方法。"我们知道如何从高能物理学界制造这些可调谐的盒子，我们与量子计算人员一起工作，了解并转让这些量子比特用作传感器的技术，"Chou说。从这里开始，他们计划开发一个暗物质探测实验，并继续改进该设备的设计。"这个装置测试了盒子里的传感器，它能容纳单一频率的光子，"Chou说。"下一步是修改这个盒子，把它变成一种无线电接收器，其中我们可以改变盒子的尺寸。"通过改变光子腔的尺寸，它将能够感知由暗物质产生的不同波长的光子。这些新的蓝宝石光子腔将有助于带领团队更接近运行暗物质实验，这些实验结合了物理学和量子科学的各个方面。"能住在盒子里的波是由盒子的整体尺寸决定的。为了改变我们想要寻找的暗物质的哪些频率和哪些波长，我们实际上必须改变盒子的大小，"周说。"这就是我们目前正在做的工作；我们已经创建了盒子，我们可以改变它的不同部分的长度，以便能够在不同的频率上调谐暗物质。"研究人员还在开发由不同材料制成的腔体。传统的铝制光子腔在存在从暗物质粒子产生光子所必需的磁场时，会失去其超导性。"这些腔体不能在高磁场中生存，高磁场破坏了超导性，所以我们用合成蓝宝石制成了一个新的空腔。"开发这些新的、可调谐的蓝宝石光子腔将使该团队更接近于运行暗物质实验，该实验结合了物理学和量子科学的各个方面。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1334571.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1334571.htm