用十亿个单摆，寻找看不见的物质
用十亿个单摆，寻找看不见的物质Original 二宗主
原理 Today
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用宇宙学家的话来说，宇宙中的所有可见物质，就像是漂浮在充满了暗物质的浩瀚海洋中的少数存在。这种说法其实非常形象，因为构建了行星和恒星等的普通物质其实只占了宇宙的5%，，而神秘的暗物质则约占据了27%。https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_png/tqOuxs8dsHPq4jMQJ5bt2lB6FibzJGVrb3pYFz7dxr3gibKiaibKQ88WGwFBIwy7PeIACecG6sicCJVcib46U4m93RTA/640?wx_fmt=png
暗物质和暗能量占据了宇宙总物质和能量的95%。| 图片素材：NIST
今天故事的主角就是暗物质。暗物质是一些有质量，且会产生引力的不可见粒子。我们之所以相信这些“隐形”粒子的存在，是因为正是它们所提供的额外引力，才使得宇宙中的星系不至于分崩离析。自暗物质自被预言以来，在几十年间一直对我们维持其神秘面纱，我们始终无法探测到它们的身影。
之前，许多寻找暗物质的实验都是通过寻找暗物质粒子与某些普通物质之间的非引力相互作用信号来进行的。例如有一种被称为弱相互作用大质量粒子（WIMP）的假想粒子，这种粒子在理论上质量介于电子和质子之间，是暗物质的一个主要候选粒子。对于引力探测来说，这些粒子太轻了，因此在过去的实验中，科学家都希望能捕捉到这种粒子在探测器中与化学物质碰撞时所发出的光或释放出的电荷——这类非引力作用信号。
然而，以这种方式寻找WIMPs的研究要么一无所获，要么得到的是不确定的结果。随着对WIMPs的搜索似乎已接近尾声，物理学家开始思考全新的方法以寻找质量更大的暗物质粒子。
最近，有研究人员提出了一种寻找暗物质的新方法，这是一种更加直接的方法，凭借的仅是暗物质与可见物质间的引力相互作用，而这种引力相互作用，正是目前科学家唯一能确定存在于暗物质与普通物质之间的耦合。
研究人员将他们的发现发表在了近期的《物理评论D》上。
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在新的暗物质探测方案中，研究人员为引力版暗物质实验提出了两个方案：两个方案都需要用到微小的机械装置作为灵敏的引力探测器。并且这些探测器需要被冷却到接近绝对零度的温度，以尽量减少由热产生的背景噪声。
https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_jpg/tqOuxs8dsHPq4jMQJ5bt2lB6FibzJGVrbrW96tfrB2gulTvf3qbFkF3IqqiaibDn649VlPwuGzQiab2SY9yuZ4QL7A/640?wx_fmt=jpeg 当暗物质粒子靠近一个悬挂的单摆时，单摆会因为引力的吸引而出现轻微的偏转。| 图片素材：NIST
在第一种方案中，充当了引力探测器的是质量以克为级别的微小单摆。当暗物质经过这些单摆时，暗物质的引力会使得这些高度灵敏的单摆做出轻微的偏转。然而，这种偏转是非常微小的，而且所有的这些单摆都会受到背景噪声的影响，从而产生随机地、独立地摆动。因此在研究人员的设计中，他们建议使用单摆阵列，来更好地将这种因引力而发生的偏转与因其他原因（如背景噪声）导致的偏转区分开来。
https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_jpg/tqOuxs8dsHPq4jMQJ5bt2lB6FibzJGVrbHIJ7efz5RS9j70BmchQ9IiamLPzIq9M6ku8OF7dnLh7C4eBjQPuwiajw/640?wx_fmt=jpeg 背景噪声对每一个单摆都可能产生独立的影响，使它们随机、独立的摆动。使用阵列可以使得当有暗物质粒子通过时，受到暗物质粒子影响的单摆之间的运动是相关的，从而可以将这种运动从由噪声造成的运动中区分出来。| 图片素材：NIST
当暗物质经过的是单摆阵列时，受到影响的那些单摆会按顺序有规律地移动，换句话说，这些单摆的运动是相关的。经过计算，研究人员认为在一立方米的空间中，需要一组大约由10亿个这样单摆探测器组成的阵列来进行这项从普通粒子、随机产生的电子信号，以及其他触发了传感器的干扰中，区分出暗物质粒子的工作。此外，当数十亿个单摆出现协调运动时，我们还能从中揭示暗物质粒子在阵列中的移动方向。
在另一种方案中，研究人员建议使用磁悬浮的小球或因激光而悬浮的珠子作为探测器。在实验的最开始时，先将悬浮关闭，让小球或珠子处于自由落体状态；当有暗物质粒子经过时，暗物质的引力会轻微地干扰小球或珠子的自由落体路径。
这两种方案都是利用物体的运动作为信号，这在本质上与所有的粒子物理探测器都不同。
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研究人员表示，这种实验概念可以搜索质量约等于普朗克质量（2.18×10⁻⁸kg），以及普朗克质量以上的暗物质候选粒子。这个质量范围特别有趣，这个区间的暗物质粒子大概率不会是基本粒子。在这一质量尺度进行探测的实验寥寥无几，很少有能够记录这种微小引力的探测器会对这一尺度进行探索和研究。因此，研究人员认为如果有人能够按照这个模型建立实验，那么他们探索的将是在很大程度上关于暗物质的未知领域。
此外从技术角度上看，研究人员认为若要制造如此多的微型探测器，可能需要借用已在智能手机和汽车工业中运用的机械探测器制造技术。由于每个探测器的灵敏度都非常高，因此这项技术也可以不仅限于寻找暗物质，比如它的更小尺度版本就可以用于探测来自普通亚原子粒子的弱核力。
研究人员认为，他们设定的是建立一个引力暗物质探测器的宏伟目标；与此同时，实现这一目标所需的研发将可以为许多其他探测和计量测量带来意外收获。
参考来源：https://www.nist.gov/news-events/news/2020/10/billion-tiny-pendulums-could-detect-universes-missing-masshttps://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.102.072003
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