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反射暗物質(zhì)：巨鏡將尋找暗物質(zhì)

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在德國(guó)，物理學(xué)家們重新使用一個(gè)巨大的曾經(jīng)被用作宇宙射線(xiàn)天文臺(tái)的原型金屬鏡，來(lái)搜尋“隱藏的光子。這些奇異的、迄今為止未被發(fā)現(xiàn)的普通光子的近親可以解釋某些暗物質(zhì)-這種神秘的、不可見(jiàn)的物質(zhì)似乎占宇宙物質(zhì)的85%。

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大多數(shù)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)都試圖探測(cè)到大質(zhì)量弱相互作用粒子(WIMPs)，根據(jù)超對(duì)稱(chēng)理論，大質(zhì)量弱相互作用粒子只能通過(guò)弱核力和重力與其他物質(zhì)相互作用。弱相互作用大質(zhì)量粒子探測(cè)器(WIMP）的目標(biāo)是捕獲假定粒子與原子核碰撞時(shí)釋放出的微量能量——通常在深埋地下的大型探測(cè)器中。然而，自第一次這樣的實(shí)驗(yàn)開(kāi)始以來(lái)，大約四分之一個(gè)世紀(jì)過(guò)去了，沒(méi)有一個(gè)大質(zhì)量弱相互作用粒子（WIMP）被明確地探測(cè)到。

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隱藏光子是在粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的一些擴(kuò)展中被預(yù)測(cè)出來(lái)的，與弱相互作用大質(zhì)量粒子不同，它們會(huì)與正常物質(zhì)發(fā)生電磁作用。隱藏的光子質(zhì)量很小，并且被期望在一個(gè)類(lèi)似于中微子振蕩的過(guò)程中振蕩成正常的光子。觀測(cè)這種振蕩依賴(lài)于對(duì)極小的電磁信號(hào)敏感的探測(cè)器，而且現(xiàn)在已經(jīng)提出或建立了許多這種極困難的實(shí)驗(yàn)。

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許多不同的實(shí)驗(yàn)

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加州大學(xué)歐文分校的喬納森·馮（Jonathan Feng）說(shuō)：“在過(guò)去的幾年中，對(duì)隱藏光子的興趣不斷增長(zhǎng)?！?而且，物理學(xué)家已經(jīng)意識(shí)到可以建立許多不同種類(lèi)的實(shí)驗(yàn)來(lái)嘗試和檢測(cè)隱藏的光子。

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現(xiàn)在，巴貝特.德布里希（Babette D?brich）和德國(guó)電子同步加速器研究所(DESY)，還有卡爾斯魯厄理工學(xué)院和其他歐洲研究所的同事們正在使用球形金屬鏡的一部分來(lái)尋找隱藏的光子。2012年，德國(guó)物理學(xué)家在一篇名為《用碟形天線(xiàn)搜尋弱相互作用細(xì)粒子冷暗物質(zhì)》（Searching for WISPy Cold Dark Matter with a Dish Antenna）的論文中提出了這一觀點(diǎn)。該方案利用了這樣一個(gè)事實(shí)，隱藏的光子會(huì)與電子相互作用——盡管很微弱——當(dāng)它們撞擊導(dǎo)體時(shí)，它們會(huì)使組成的電子振動(dòng)。這些振動(dòng)將導(dǎo)致正常光子以與導(dǎo)體表面成直角的方向發(fā)射。

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圖源：lssf.cas.cn

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球面反射鏡是探測(cè)這種光的理想方法，因?yàn)榘l(fā)射的光子會(huì)集中在球體的中心，而任何從球面反射回來(lái)的背景光都會(huì)穿過(guò)球體表面和中心之間的焦點(diǎn)。放置在中心的接收器可以接收到暗物質(zhì)產(chǎn)生的光子，如果調(diào)節(jié)到他們的頻率（與入射的隱藏光子的質(zhì)量關(guān)聯(lián)），反射鏡和接收器會(huì)盡可能地屏蔽雜散電磁波。

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身邊的理想鏡子

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對(duì)研究小組來(lái)說(shuō)，幸運(yùn)的是，一個(gè)理想的鏡子就在眼前：一個(gè)位于卡爾斯魯厄理工學(xué)院曾被用在建造皮埃爾-奧格天文臺(tái)期間的實(shí)驗(yàn)的13平方米的鋁鏡。多布里奇和他的同事們已經(jīng)和來(lái)自卡爾斯魯厄的幾位研究人員合作，現(xiàn)在他們正通過(guò)調(diào)整鏡子36片中每一片的位置來(lái)準(zhǔn)備鏡子，以最小化聚焦波的光斑尺寸來(lái)準(zhǔn)備反射鏡。對(duì)于接收器而言，最可能的初始選擇是一組用于測(cè)量可見(jiàn)光的低噪聲光電倍增管，這對(duì)應(yīng)于約1?eV/C2的隱藏光子質(zhì)量。另一個(gè)明顯的選擇是千兆赫茲輻射的接收器，其質(zhì)量小于0.001 eV / C2; 但是，后一種設(shè)置將需要更多的屏蔽。

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德國(guó)電子同步加速器研究所(DESY)/Karlsruhe實(shí)驗(yàn)-暫時(shí)命名為FUNK（尋找一種新型的U）將不是第一個(gè)尋找隱藏光子的實(shí)驗(yàn)。位于日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心實(shí)驗(yàn)室的CERN共振微弱粒子搜索(CROWS)自2011年開(kāi)始運(yùn)行，尋找隱藏的光子和其他低質(zhì)量暗物質(zhì)粒子，如軸子。同樣值得關(guān)注的還有西雅圖華盛頓大學(xué)的軸子暗物質(zhì)（Axion Dark Matter Experiment)實(shí)驗(yàn)。盡管，正如它的名字所示，這個(gè)設(shè)施主要是用來(lái)探測(cè)軸子的，但它仍然可以探測(cè)到相互作用強(qiáng)度很低的隱藏光子的存在。德布里希說(shuō)，與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比，F(xiàn)UNK的優(yōu)勢(shì)在于它能夠在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)工作，而頻率的廣度取決于合適的電磁探測(cè)器的可用性和反射鏡的性能。

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圖源：百度圖片

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歐洲核子研究組織（CERN）的弗里茨·卡斯珀斯（Fritz Caspers）為FUNK的“非常好”的設(shè)計(jì)表示贊賞，但他擔(dān)心在實(shí)際操作中要將反射鏡從電磁干擾中屏蔽起來(lái)有多困難。他說(shuō)：“細(xì)節(jié)決定成敗?！彼€想知道，為什么德布里和他的同事們沒(méi)有“直接”使用直徑約100米的射電望遠(yuǎn)鏡來(lái)尋找發(fā)射的無(wú)線(xiàn)電頻率輻射，而不是他們將要使用的更小的版本。你可以很容易地在世界上找到更大的鏡子，”他說(shuō)。多布里奇指出，就光學(xué)測(cè)量而言，他們的鏡子是一個(gè)非常好的選擇。

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作者: Edwin Cartlidge

FY: 雪狼普雅

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