暗物質(zhì)太輕怎么辦？科學(xué)家呼吁進(jìn)行小規(guī)模實(shí)驗(yàn)以擴(kuò)大搜尋范圍！以小規(guī)模探測(cè)形式，對(duì)暗物質(zhì)的搜索正在擴(kuò)大。

雖然暗物質(zhì)在宇宙中有大量存在——它是迄今為止最常見的物質(zhì)形式，但它也隱藏在普通的視線中。

還不知道暗物質(zhì)具體是由什么構(gòu)成，盡管科學(xué)家可以看到它對(duì)已知物質(zhì)的引力。大質(zhì)量弱相互作用粒子(wimp)理論已經(jīng)成為暗物質(zhì)組成的可能候選之一，但它們還沒有出現(xiàn)在科學(xué)家預(yù)期的地方。

撒下許多小網(wǎng)，擴(kuò)大范圍

因此，科學(xué)家們現(xiàn)在正加倍努力，設(shè)計(jì)新的、靈活的實(shí)驗(yàn)，以尋找以前從未探索過的粒子質(zhì)量和能量范圍內(nèi)的暗物質(zhì)，并使用以前從未測(cè)試過的方法。這種新方法不是依靠幾個(gè)大型實(shí)驗(yàn)的“網(wǎng)”來捕捉一種暗物質(zhì)，而是類似于用更細(xì)的網(wǎng)，來撒許多網(wǎng)捕捉探索更多范圍的暗物質(zhì)。暗物質(zhì)可能比之前認(rèn)為的“更輕”，或者質(zhì)量更小，能量更小。它可以由理論上的波狀超輕粒子組成，這些超輕粒子被稱為軸子。暗物質(zhì)可能是一個(gè)充滿許多尚未發(fā)現(xiàn)的粒子王國(guó)，它可能根本不是由粒子組成。

美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Berkeley Lab)的資深科學(xué)家和理論物理學(xué)家凱瑟琳·祖雷克(Kathryn Zurek)指出：低質(zhì)量暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)的勢(shì)頭一直在增強(qiáng)，這可能會(huì)擴(kuò)大我們目前對(duì)粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中所包含物質(zhì)構(gòu)成的理解。Zurek也隸屬于加州大學(xué)伯克利分校，他是提出低質(zhì)量暗物質(zhì)理論和探測(cè)方法的先驅(qū)。除了標(biāo)準(zhǔn)模型，我們還有什么物理實(shí)驗(yàn)證據(jù)？暗物質(zhì)是最好的物質(zhì)之一，這些理論觀點(diǎn)已經(jīng)存在了十年左右了。

隨著技術(shù)的新發(fā)展，如量子傳感器和探測(cè)材料的新進(jìn)展，也有助于推動(dòng)新的實(shí)驗(yàn)。在過去的十年里，這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)成熟并開花結(jié)果。它已經(jīng)成為主流——不再是邊緣地帶。低質(zhì)量暗物質(zhì)的討論已經(jīng)從小型會(huì)議和研討會(huì)轉(zhuǎn)移到尋找暗物質(zhì)總體戰(zhàn)略的一個(gè)組成部分。伯克利實(shí)驗(yàn)室和加州大學(xué)伯克利分校憑借其在暗物質(zhì)理論、實(shí)驗(yàn)、前沿探測(cè)器和目標(biāo)研發(fā)方面的專長(zhǎng)，將在這一新興的暗物質(zhì)搜尋領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。

研究重點(diǎn)需要尋找“更輕”的暗物質(zhì)

在美國(guó)能源部舉辦暗物質(zhì)高能物理研討會(huì)的基礎(chǔ)上，發(fā)布了一份名為《暗物質(zhì)小項(xiàng)目新倡議的基礎(chǔ)研究需求》報(bào)告，強(qiáng)調(diào)了Zurek和伯克利實(shí)驗(yàn)室其他研究人員對(duì)暗物質(zhì)的相關(guān)研究。Zurek和加州大學(xué)伯克利分校實(shí)驗(yàn)室資深科學(xué)家、加州大學(xué)伯克利分校物理學(xué)教授丹·麥肯錫(Dan McKinsey)共同領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)專注于暗物質(zhì)直接探測(cè)技術(shù)的研討會(huì)小組，該小組對(duì)該報(bào)告做出了貢獻(xiàn)。

該研究報(bào)告建議將重點(diǎn)放在小型實(shí)驗(yàn)上，尋找質(zhì)量小于質(zhì)子的暗物質(zhì)粒子項(xiàng)目成本從200萬(wàn)美元到1500萬(wàn)美元不等。質(zhì)子是每個(gè)原子核內(nèi)的亞原子粒子，每個(gè)原子核的重量約為電子1850倍。這一新的更低質(zhì)量搜索工作將“最終理解宇宙暗物質(zhì)的本質(zhì)，這是首要目標(biāo)”。麥肯錫表示，美國(guó)能源部(U.S. Department of Energy)今年也進(jìn)行了相關(guān)努力，為新的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)征求建議，伯克利實(shí)驗(yàn)室也參與了這項(xiàng)建議的過程。

擴(kuò)展搜索中的3個(gè)優(yōu)先級(jí)

該研究報(bào)告強(qiáng)調(diào)了尋找更低質(zhì)量暗物質(zhì)的三個(gè)主要優(yōu)先研究方向，“需要實(shí)現(xiàn)廣泛的敏感性和……達(dá)到不同的關(guān)鍵里程碑”：

1、利用DOE加速器產(chǎn)生高能粒子束：創(chuàng)造并探測(cè)質(zhì)子質(zhì)量和相關(guān)力之下的暗物質(zhì)粒子。這樣的實(shí)驗(yàn)可能有助于我們了解暗物質(zhì)的起源，并探索其與普通物質(zhì)的相互作用。

2、通過與先進(jìn)超靈敏探測(cè)器的相互作用：可以探測(cè)到單個(gè)星系暗物質(zhì)粒子，其質(zhì)量可達(dá)質(zhì)子質(zhì)量的1萬(wàn)億倍，已經(jīng)有地下實(shí)驗(yàn)區(qū)和設(shè)備可用于支持這些新實(shí)驗(yàn)。

3、利用先進(jìn)的超靈敏探測(cè)器探測(cè)銀河系暗物質(zhì)波：重點(diǎn)是所謂的量子色動(dòng)力學(xué)軸子。理論和技術(shù)的進(jìn)步現(xiàn)在可使科學(xué)家在超輕質(zhì)量范圍的整個(gè)光譜中探測(cè)這種類型的軸子暗物質(zhì)存在，提供了“對(duì)宇宙起源的最早時(shí)刻以及超高能量和溫度下自然規(guī)律的一瞥”。

這個(gè)軸子，如果它存在的話，也可以幫助解釋與宇宙強(qiáng)力有關(guān)的特性。宇宙強(qiáng)力負(fù)責(zé)將大多數(shù)物質(zhì)結(jié)合在一起——例如，它將原子核中的粒子結(jié)合在一起。在過去的十年里，對(duì)傳統(tǒng)WIMP暗物質(zhì)形式的研究靈敏度提高了1000倍。

科學(xué)家們正在建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/strong>

伯克利實(shí)驗(yàn)室和加州大學(xué)伯克利分校的研究人員將首先把重點(diǎn)放在液氦和砷化鎵晶體上，以尋找低質(zhì)量暗物質(zhì)粒子之間的相互作用。材料科學(xué)的發(fā)展也是這個(gè)故事的一部分，也考慮到探測(cè)器材料中不同類型的激發(fā)。除了液氦和砷化鎵，可以用來探測(cè)暗物質(zhì)粒子的材料是多種多樣的，科學(xué)家認(rèn)為目標(biāo)多元化非常重要。這些實(shí)驗(yàn)預(yù)計(jì)將在未來幾個(gè)月內(nèi)開始，其目標(biāo)是開發(fā)新技術(shù)，使它們能夠擴(kuò)大規(guī)模，用于其他地點(diǎn)的地下深處實(shí)驗(yàn)。

這些實(shí)驗(yàn)將提供額外的屏蔽，使其免受來自太陽(yáng)和其他來源粒子“噪音”的自然沖擊。麥肯錫正在加州大學(xué)伯克利分校進(jìn)行原型實(shí)驗(yàn)，液氦實(shí)驗(yàn)將尋找暗物質(zhì)粒子引起核反沖的任何跡象——通過這個(gè)過程，粒子相互作用會(huì)給原子核帶來輕微的震動(dòng)，研究人員希望可以放大并探測(cè)到這種震動(dòng)。其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)試圖測(cè)量暗物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)，這些激發(fā)態(tài)會(huì)導(dǎo)致單個(gè)氦原子的可測(cè)量蒸發(fā)，如果暗物質(zhì)粒子(在液氦上)散射，就會(huì)得到一團(tuán)激發(fā)。

可以在月球表面得到數(shù)百萬(wàn)個(gè)激發(fā)態(tài)——會(huì)得到一個(gè)很大的熱信號(hào)。液氦中的原子和砷化鎵晶體性質(zhì)允許它們?cè)诹Ｗ酉嗷プ饔弥邪l(fā)光或“閃爍”。研究人員將首先使用更傳統(tǒng)的光探測(cè)器，即光電倍增管，然后轉(zhuǎn)向更靈敏的下一代探測(cè)器?；旧?，明年科學(xué)家將研究光信號(hào)和熱信號(hào)，熱和光的比例會(huì)讓我們知道每個(gè)事件是什么。這些早期研究將決定所測(cè)試的技術(shù)是否能夠有效地在其他提供低噪聲環(huán)境場(chǎng)所進(jìn)行低質(zhì)量暗物質(zhì)探測(cè)，這將使我們能夠探測(cè)到更低的能量閾值。

新技術(shù)帶來的新想法

研究還指出了尋找低質(zhì)量暗物質(zhì)的各種其他方法。有大量不同、很酷的技術(shù)，甚至超出了目前所述那些使用或提出不同方法來尋找低質(zhì)量暗物質(zhì)的技術(shù)。其中一些依賴于光的單個(gè)粒子，即光子的測(cè)量，而另一些則依賴于單個(gè)原子核或電子發(fā)出的信號(hào)，或聲子原子中非常輕微的集體振動(dòng)。該研究并沒有對(duì)現(xiàn)有提議進(jìn)行排名，而是打算“將科學(xué)論證與可能性和實(shí)用性結(jié)合起來”。物理學(xué)是可能性的藝術(shù)，暗物質(zhì)探測(cè)我們有動(dòng)力，因?yàn)槲覀冇邢敕ǎ覀冇屑夹g(shù)，這就是人類的智慧和令人興奮之處！

博科園｜研究/來自：勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

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