科学家试图通过探测难以捉摸的轴心粒子来揭开暗物质的神秘面纱

科学家试图通过探测难以捉摸的轴心粒子来揭开暗物质的神秘面纱长期以来，物理学家一直在推测暗物质的组成，暗物质的含量被认为是普通物质的五倍。在各种相互竞争的假说中，有一种粒子成为了有希望的候选者：轴子。阿尔托大学（AaltoUniversity）的科学家们正着手开展一个为期六年的项目，寻找轴子存在的证据。他们将作为一个新成立的名为"暗量子"（DarkQuantum）的联盟的一部分，与萨拉戈萨大学的研究人员（该项目的协调者）、法国国家科学研究中心的研究人员、卡尔斯鲁厄理工学院以及其他合作机构的研究人员一起开展这项工作。这个新的联盟将成为首个利用最新量子技术制造具有前所未有的扫描灵敏度的传感器的联盟。DarkQuantum于10月26日获得欧洲研究理事会颁发的1290万欧元奖金，其中约200万欧元用于阿尔托大学高级讲师兼讲师SorinParaoanu及其超导微ubits和电路QED(KVANTTI)研究小组。研究人员将利用量子技术开发世界上最灵敏的探测器之一。图片来源：MikkoRaskinen/阿尔托大学"我们正在窥探一个深不见底的深渊。如果存在轴子，它就超越了基本粒子的标准模型，"Paraoanu说。"这种观测的意义堪比2010年代初发现的希格斯玻色子。但至少在发现希格斯玻色子时，他们知道从哪里开始寻找！"萨拉戈萨大学教授伊戈尔-加西亚-伊拉斯托尔萨（IgorGarciaIrastorza）补充说："暗物质的性质是现代科学中最大的谜团之一。如果暗物质是由轴子构成的，我们就真的有机会通过这个项目探测到它。"虽然过去也曾尝试过观测轴子，但最新的尝试将利用量子现象，使研究人员能够更好地过滤噪音，并以更高的保真度重复实验。这正是帕拉奥阿努和他的团队的用武之地。把镜头拉近银河系的一个小角落，在横跨西班牙和法国边境的山脉深处。这里是坎弗朗克地下实验室（CanfrancUndergroundLaboratory）的所在地，DarkQuantum研究人员计划建造的高频传感器就在这里。另一个低频传感器将位于汉堡的德国电子同步加速器（DESY）。Paraoanu和他的KVANTTI小组主要负责建造和调整高频传感器，以及编写使用它的算法和软件。这个传感器被称为"光晕镜"，将探测银河系光晕的深处以寻找轴子。将传感器置于地下深处有助于消除宇宙背景辐射，而且它可能为同时研究量子计算的某些降噪技术提供一个独特的机会。"我们的高频传感器将比以前的迭代产品灵敏10-100倍，能够扫描几微电子伏的尺度。它将使用超导量子比特--与量子计算机中使用的量子比特相同--但它们在这个光镜中将扮演不同的探测器角色，"Paraoanu说。以前探测轴子的尝试使用的是线性放大器，这种放大器往往会引入噪声，并有效地将粒子吸收到系统中。Paraoanu的传感器将依靠量子非爆破测量，这样就可以用相同的粒子进行重复实验。"理论表明，在超冷环境中，我们可以引入一个磁场，使存在的轴子衰变为光子。如果我们在空腔中探测到任何光子，那么我们就可以断定系统中存在轴子，而且它们确实存在，"Paraoanu说。欧洲研究理事会的协同增效基金声誉卓著，Paraoanu和他的团队是阿尔托大学历史上第二位获得该基金的人，第一位获得者是RistoIlmoniemi教授，用于他正在进行的ConnectToBrain项目。这个为期六年的项目将分为两个部分：一个是为期四年的扩大规模阶段，包括光镜的建造、调试和运输；另一个是为期两年的实验阶段，团队将在这一阶段收集数据。帕拉奥阿努预计，未来几年该项目将有多个研究员职位空缺。协同资助项目中指定的其他合作机构包括马克斯-普朗克科学促进会、卡塔赫纳理工大学和西班牙国家研究委员会。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1393101.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1393101.htm

在太阳附近运行的原子钟可以探测暗物质

在太阳附近运行的原子钟可以探测暗物质我们每天在周围看到的物质只占宇宙中质量的15%左右。另外的85%归功于一种奇怪的、看不见的物质，它不反射也不发光，因此它的名字听起来很诡异，叫做暗物质。然而，它确实通过与光和物质的引力相互作用来表明自己的存在，而且其存在的证据不断增加。但令人沮丧的是，尽管科学家们经过了几十年的探索，但最好的证据--直接探测--仍然没有得到。根据不同模型的预测，已经进行了实验来探测暗物质的特性，它可能有也可能没有。最常见的主题是在地下深处放置一个巨大的检测器材料罐，远离干扰，等待暗物质粒子撞上罐中的原子核的罕见情况。其他实验则观察一些假设的暗物质粒子被预测为会产生的电磁效应。到目前为止，这些实验都没有发现这种东西的任何迹象。但也许这是因为我们一直自己在错误的地方寻找。模型显示，太阳系中密度最高的暗物质将在太阳附近，所以一项新的研究建议我们从那里开始寻找。来自KavliIPMU、加州大学欧文分校和特拉华大学的研究人员概述了一种探测太阳附近暗物质的潜在新方法。在那里，这种物质的密度应该足够高，其预测的信号应该比在地球上要清晰得多。在暗物质粒子具有极小质量的模型中，它们将被预测为引起自然界某些常数的振荡，例如电子的质量或电磁力的强度。这些变化将反过来影响原子的能量，因为它们在不同状态之间转换。由于原子钟是通过测量原子在不同状态之间转换时发出的光子的频率来工作的，所以它们应该能够检测到暗物质何时导致这些振荡。"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，"该研究的作者JoshuaEby说。重要的是，该团队表示，进行该实验所需的技术已经存在。原子钟被广泛用于保持航天器的同步性，而帕克太阳探测器的特殊屏蔽已经证明了近太阳轨道是可以做到的。"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，可能足以进行搜索。"虽然目前还没有关于这一概念何时或是否可能被付诸行动的消息，但这是一个令人感兴趣的想法。描述这一想法的论文发表在《自然天文学》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1334489.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1334489.htm

暗光子暗物质的突破：开拓性的低温探测技术

暗光子暗物质的突破：开拓性的低温探测技术虽然没有检测到明显的信号，但实验中采用的严格限制为调查暗物质提供了可能性。这项研究还可能进一步推动5G和6G等先进电信技术的发展。用低温毫米波接收器搜索暗光子暗物质。资料来源：京都大学全球通讯社/足立俊介将圣经中的歌利亚击倒的方法可能不止一种，但大卫选择用弹弓的小石头进行攻击。本着同样的精神，科学家们不是通过直接观察，而是通过记录其对可见物质的引力影响来接近暗物质的奥秘--它构成了宇宙的四分之一。京都大学的一个研究小组现在已经建立了一种检查0.1毫电子伏特左右的超轻暗物质的实验方法，应用了一种低温条件下的毫米波传感技术，其特点是热噪声低。领衔作者ShunsukeAdachi说："我们通过使用以前在这个领域没有测试过的新技术，实现了暗光子暗物质--或DPDM--的未探索的质量范围的实验参数。"难以捉摸的单个暗物质粒子的质量被认为比质子的质量还要重。Adachi团队对超低质量暗物质的搜索解决了极富挑战性的探测问题，而这一问题在过去三十多年里一直困扰着科学家。Adachi补充说："我们对毫米波技术的研究可能会进一步推动先进电信的发展，如5G和6G。"一个专用的毫米波接收器被冷却到-270℃，以抑制热噪声，以适应弱的转换光子。这个低温接收器被用来搜索质量范围约为0.1meV的DPDMs。Adachi认为，尽管他的团队在这个数据集中没有发现任何重要的信号，但通过在前所未有的严格约束下进行实验--比宇宙学约束更严格--他们为调查暗物质开辟了可能性。普通光子在理论上是利用金属板表面从暗光子中转换出来的。由于能量守恒，这些转换光子与暗光子的质量相对应。例如，10-300GHz的转换光子频率对应于0.05-1meV的暗光子质量。"我们很高兴，我们的小团队能够从我们的高灵敏度实验中获得重要的结果，用于探测未曾探索过的质量范围内的DPDM，"Adachi总结道。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1353667.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1353667.htm

半可见的粒子喷射器：暗物质隐藏在众目睽睽之下吗？

半可见的粒子喷射器：暗物质隐藏在众目睽睽之下吗？ATLAS合作组率先对半可见射流进行了搜索，这是强相互作用的暗部门中的暗夸克和胶子产生的潜在暗物质标志。尽管存在挑战，也没有直接的发现，但这项新颖的研究为半可见射流的产生设定了第一个限制，为未来更细微的暗物质搜索铺平了道路。ATLAS合作组织首次对半可见射流进行了搜索，这是暗物质粒子存在的一个潜在标志。据推测，这是在两个质子相互作用时发生的，产生一个中间粒子，然后转化为两个射流。资料来源：ATLAS合作组织/欧洲核子研究中心然而，一些理论模型预测了一个"强相互作用"的暗部门，暗夸克和胶子是标准模型夸克和胶子的复制。当暗夸克部分衰变为标准模式的夸克，部分衰变为稳定的暗强子（"不可见部分"）时，就会产生半可见的喷流。由于它们是成对产生的，通常与额外的标准模型射流一起产生，所以当所有的射流都不完全平衡时，就会产生缺失的能量。缺失能量的方向往往与其中一个半可见的射流相一致，正如在上面的事件显示中可以看到的那样。ATLAS物理学的暗物质隐藏在显而易见的地方，数据、背景和六个预测的信号分布覆盖了一个有代表性的介体质量和不可见分数的范围，对两个半可见射流候选人的方位角差异进行了重叠。观察到数据和背景之间有很好的一致性。资料来源：ATLAS合作组织/欧洲核子研究中心这使得对半可见射流的搜索非常具有挑战性，因为这种事件特征也可能由于探测器中错误测量的射流而产生。对于他们的新搜索，物理学家必须确保所有这些影响都被考虑在内。为了做到这一点，他们把注意力集中在几个观察指标上：横向动量的排列和大小的唯一性，以及半可见射流之间的角度。他们还研究了具有不同不可见部分和中介粒子质量的情况。在考虑了所有有助于这一事件拓扑结构的标准模型过程后，研究人员没有发现半可见射流的暗示。从上图可以看出，该图显示了两个半可见射流候选者之间的角度差异，数据遵循了标准模型的背景形状。预计暗物质信号的形状会略有不同。搜索半可见射流非常具有挑战性，因为它的事件特征也可能由于探测器中错误测量的射流而产生。这项新的成果为这种特定的半可见射流产生情况设定了第一个限制，如下图所示，是介子质量和不可见部分的函数。在不可见部分的中间值上，搜索更加敏感，并排除了高达2.7TeV的介子质量。研究人员还能够报告观察到的与事件选择要求相对应的数据事件的数量。这为未来搜索暗物质奠定了重要的基础，使物理学家能够建立考虑到这一特征的现有约束的半可见射流模型。半可见射流信号的预期和观测排除等值线，在X轴上是介体质量的函数，在Y轴上是不可见部分。红色实线左侧的介体质量在给定的不可见分数下被排除。资料来源：ATLAS合作组织/欧洲核子研究中心还有很多东西需要探索!ATLAS的研究人员计划系统地研究来自强暗部门景观的所有可能的迹象，随着ATLAS实验继续增加其庞大的数据集，它将提供新的探索机会和新的选择，以扩大对半可见射流的搜索。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1362169.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1362169.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

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