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

科学家提出或能像探测流星一样寻找暗物质的新方法

科学家提出或能像探测流星一样寻找暗物质的新方法尽管暗物质占宇宙总质量的85%，但它仍难以被直接探测到。一项新研究提出了一种独特的方法来寻找暗物质，通过将地球的大气层作为一个巨大的探测器来探测像流星一样在空中流动的暗物质粒子。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1328757.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1328757.htm

暗光子：揭开暗物质之谜的关键？

暗光子：揭开暗物质之谜的关键？在阿德莱德大学专家的带领下，一个国际研究小组在探索暗物质本质的过程中发现了更多线索。"暗物质占宇宙物质的84%，但我们对它知之甚少，"阿德莱德大学物理长老教授安东尼-托马斯教授表示："暗物质的存在已经从它的引力相互作用中得到了确凿的证明，然而，尽管全世界的物理学家都在竭尽全力，它的精确性质仍然让我们难以捉摸。理解这一谜团的关键可能在于暗光子，它是一种理论上的大质量粒子，可能是粒子暗区与常规物质之间的门户。"我们和我们的物理世界都是由普通物质构成的，但普通物质的数量远远少于暗物质：暗物质的数量是普通物质的五倍。寻找更多关于暗物质的信息是全世界物理学家面临的最大挑战之一。暗光子是一种假想的隐藏扇形粒子，被认为是一种类似于电磁学光子的力载体，但可能与暗物质有关。澳大利亚研究理事会（ARC）暗物质粒子物理卓越中心的成员托马斯教授及其同事马丁-怀特教授、王宣工博士和尼古拉斯-亨特-史密斯等科学家正在对现有的暗物质理论进行测试，以便获得更多有关这种难以捉摸但非常重要的物质的线索。托马斯教授说："在我们的最新研究中，我们研究了暗光子可能对深度非弹性散射过程的整套实验结果产生的潜在影响。对加速到极高能量的粒子碰撞的副产物进行分析，为科学家们提供了亚原子世界的结构及其自然规律的有力证据。在粒子物理学中，深度非弹性散射是用来利用电子、μ介子和中微子探测强子（特别是重子，如质子和中子）内部的过程的名称。我们利用了最先进的杰斐逊实验室角动量（JAM）部分子分布函数全局分析框架，修改了基础理论，以考虑暗光子的可能性。我们的工作表明，暗光子假说优于标准模型假说，其显著性为6.5西格玛，这构成了粒子发现的证据。"该研究小组包括来自阿德莱德大学的科学家和美国弗吉尼亚杰斐逊实验室的同事，他们在《高能物理杂志》（JournalofHighEnergyPhysics）上发表了自己的研究成果。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1385001.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1385001.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

一种研究夸克的新方法已经被提出

一种研究夸克的新方法已经被提出夸克是基本粒子，是物质的基本组成部分。它们是我们所知的最小的东西，并不是由任何更小或更简单的东西组成的。夸克有六种不同的"口味"：up,down,charm,strange,top与bottom。它们在自然界中从未被单独发现，而是总是与其他夸克结合在一起，形成原子核中的质子和中子，以及其他亚原子粒子如介子。夸克被认为是质子和中子的组成部分，它们构成了宇宙中的大部分物质。对物质的研究似乎有点像打开一叠俄罗斯的马特罗什卡娃娃（套娃），每一层都揭示了另一个熟悉的，但不同的，比前一层更小和更难探索的组件排列。在我们的日常规模中，我们有可以看到和触摸的物体。无论是玻璃中的水还是玻璃本身，这些大多都是分子的排列，小到无法看到。物理学工具、显微镜、粒子加速器等等，让我们更深入地观察，发现分子是由原子构成的。但这并没有停止--原子是由一个被电子包围的原子核构成的。而原子核又是核子（质子和中子）的排列，它赋予原子以特性和质量。但它也没有结束；核子还由不太熟悉的东西组成，即夸克和胶子。而正是在这个规模上，我们对基础物理学知识的限制出现了障碍。至于探索夸克和胶子，它们最好必须相互隔离；然而，目前，这似乎是不可能的。当粒子加速器粉碎原子并创造出原子碎片雨时，夸克和胶子再次结合的速度太快，研究人员无法详细地探索它们。来自东京大学物理系的新研究表明，我们很快就能打开马特罗什卡娃娃的下一层。"为了更好地了解我们的物质世界，我们需要做实验，为了改进实验，我们需要探索我们做事的新方法，"福岛健二教授说。"我们已经概述了一种可能的方法来确定负责夸克禁闭的机制。这一直是物理学中的一个长期问题，如果实现的话，可以揭开关于物质和宇宙结构的一些深层奥秘。"亚原子夸克的质量小得令人难以置信：一个核子中的夸克加起来占总质量的不到2%，胶子似乎完全没有质量。因此，物理学家建议，大部分的原子质量实际上来自夸克和胶子的结合方式，而不是来自这些东西本身。它们被所谓的强力所束缚，这是自然界四种基本力量之一，包括电磁力和引力，而且人们认为强力本身就赋予了核子以质量。这是一个被称为量子色动力学（QCD）的理论的一部分，其中"chromo"来自希腊语，表示颜色，这就是为什么有时会听到夸克被称为红色、绿色或蓝色，尽管事实上它们是无色的。福岛说："严格证明强力产生质量仍然遥不可及。障碍在于QCD描述事物的方式使理论计算变得困难。我们的成就是证明，在一组特殊的情况下，强作用力可以实现夸克的封闭。我们通过将夸克的一些观察到的参数解释为一个新的变量，我们称之为虚角速度。虽然在本质上是纯粹的数学，但它可以被转换回我们可以控制的真实数值。一旦我们学会如何将我们的想法转化为实验，这应该会导致实现快速旋转夸克物质的异国状态的手段。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1340289.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1340289.htm

克服量子的限制 研究人员找到一种控制电子自旋的新方法

克服量子的限制研究人员找到一种控制电子自旋的新方法罗切斯特大学的一个研究小组在物理学副教授约翰-尼科尔的领导下，在《自然-物理学》杂志上发表了一篇论文，概述了操纵硅量子点--微小的、纳米级的半导体，具有显著特性的电子自旋的新方法，作为操纵量子系统信息的一种方式。尼科尔说："这项研究的结果为基于半导体量子点中的电子自旋的量子比特的相干控制提供了一个有希望的新机制，这可能为开发一个实用的硅基量子计算机铺平道路。"罗切斯特大学的研究人员通过控制硅量子点中电子的自旋，开发了一种在量子系统中操纵信息的新方法。硅中的电子在其自旋（向上和向下箭头）和谷态（蓝色和红色轨道）之间经历了一种被称为自旋-谷态耦合的现象。当研究人员对硅中的电子施加电压（蓝色光芒）时，他们利用自旋-谷耦合效应，可以操纵自旋和谷态，控制电子自旋。资料来源：罗切斯特大学插图/MichaelOsadciw使用量子点作为量子比特一台普通计算机由数十亿个晶体管组成，称为比特。另一方面，量子计算机是基于量子比特，也被称为量子比特。与普通的晶体管不同，它可以是"0"（关闭）或"1"（打开），而量子比特受量子力学规律的支配，可以同时是"0"和"1"。科学家们早就考虑使用硅量子点作为量子比特；控制量子点中电子的自旋将提供一种操纵量子信息传输的方法。量子点中的每个电子都有内在的磁性，就像一个小小的条形磁铁。科学家把这称为"电子自旋"--与每个电子相关的磁矩--因为每个电子是一个带负电的粒子，其行为就像它在快速旋转一样，而正是这种有效的运动引起了磁性。电子自旋是在量子计算中传输、存储和处理信息的一个有希望的候选者，因为它提供了长的相干时间和高的门控保真度，并且与先进的半导体制造技术兼容。量子比特的相干时间是指量子信息因与噪声环境相互作用而丢失之前的时间；长相干时间意味着执行计算的时间更长。高的门控保真度意味着研究人员要进行的量子操作会完全按照他们的要求进行。然而，使用硅量子点作为量子比特的一个主要挑战是控制电子自旋。控制电子自旋控制电子自旋的标准方法是电子自旋共振（ESR），它涉及到对量子比特施加振荡的射频磁场。然而，这种方法有几个局限性，包括需要在低温环境下产生和精确控制振荡磁场，而大多数电子自旋量子比特是在低温环境下工作的。通常情况下，为了产生振荡磁场，研究人员通过电线发送电流，这就会产生热量，从而干扰低温环境。尼科尔和他的同事概述了一种控制硅量子点中电子自旋的新方法，该方法不依赖于振荡电磁场。该方法基于一种被称为"自旋-谷粒耦合"的现象，当硅量子点中的电子在不同的自旋和谷粒状态之间转换时，就会发生这种现象。电子的自旋态指的是它的磁性，而谷态指的是与电子的空间轮廓有关的另一种属性。研究人员应用一个电压脉冲来利用自旋-谷耦合效应，操纵自旋和谷态，控制电子自旋。"这种通过自旋-谷耦合进行相干控制的方法，可以实现对量子比特的普遍控制，并且可以在不需要振荡磁场的情况下进行，而振荡磁场是ESR的一个限制，"尼科尔说。"这使我们有了一条新的途径，可以使用硅量子点来操纵量子计算机中的信息。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1346405.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1346405.htm