暗物质太轻怎么办？科学家呼吁进行小规模实验以扩大搜寻范围！以小规模探测形式，对暗物质的搜索正在扩大。虽然暗物质在宇宙中有大量存在——它是迄今为止最常见的物质形式，但它也隐藏在普通的视线中。
还不知道暗物质具体是由什么构成，尽管科学家可以看到它对已知物质的引力。大质量弱相互作用粒子(wimp)理论已经成为暗物质组成的可能候选之一，但它们还没有出现在科学家预期的地方。
撒下许多小网，扩大范围
因此，科学家们现在正加倍努力，设计新的、灵活的实验，以寻找以前从未探索过的粒子质量和能量范围内的暗物质，并使用以前从未测试过的方法。这种新方法不是依靠几个大型实验的“网”来捕捉一种暗物质，而是类似于用更细的网，来撒许多网捕捉探索更多范围的暗物质。暗物质可能比之前认为的“更轻”，或者质量更小，能量更小。它可以由理论上的波状超轻粒子组成，这些超轻粒子被称为轴子。暗物质可能是一个充满许多尚未发现的粒子王国，它可能根本不是由粒子组成。
美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)的资深科学家和理论物理学家凯瑟琳·祖雷克(Kathryn Zurek)指出：低质量暗物质实验的势头一直在增强，这可能会扩大我们目前对粒子物理标准模型中所包含物质构成的理解。Zurek也隶属于加州大学伯克利分校，他是提出低质量暗物质理论和探测方法的先驱。除了标准模型，我们还有什么物理实验证据？暗物质是最好的物质之一，这些理论观点已经存在了十年左右了。
（博科园-图示）加州大学伯克利分校物理系研究员、博士后林俊松(Junsong Lin)拿着加州大学伯克利分校(UC Berkeley)正在开发的一种低质量暗物质探测器部件。图片：Marilyn Chung/Berkeley Lab
随着技术的新发展，如量子传感器和探测材料的新进展，也有助于推动新的实验。在过去的十年里，这个领域已经成熟并开花结果。它已经成为主流——不再是边缘地带。低质量暗物质的讨论已经从小型会议和研讨会转移到寻找暗物质总体战略的一个组成部分。伯克利实验室和加州大学伯克利分校凭借其在暗物质理论、实验、前沿探测器和目标研发方面的专长，将在这一新兴的暗物质搜寻领域产生重大影响。
研究重点需要寻找“更轻”的暗物质
在美国能源部举办暗物质高能物理研讨会的基础上，发布了一份名为《暗物质小项目新倡议的基础研究需求》报告，强调了Zurek和伯克利实验室其他研究人员对暗物质的相关研究。Zurek和加州大学伯克利分校实验室资深科学家、加州大学伯克利分校物理学教授丹·麦肯锡(Dan McKinsey)共同领导了一个专注于暗物质直接探测技术的研讨会小组，该小组对该报告做出了贡献。
加州大学伯克利分校(UC Berkeley)建立了一个低质量暗物质探测实验。图片：Junsong Lin/Berkeley Lab, UC Berkeley
该研究报告建议将重点放在小型实验上，寻找质量小于质子的暗物质粒子项目成本从200万美元到1500万美元不等。质子是每个原子核内的亚原子粒子，每个原子核的重量约为电子1850倍。这一新的更低质量搜索工作将“最终理解宇宙暗物质的本质，这是首要目标”。麦肯锡表示，美国能源部(U.S. Department of Energy)今年也进行了相关努力，为新的暗物质实验征求建议，伯克利实验室也参与了这项建议的过程。
扩展搜索中的3个优先级
该研究报告强调了寻找更低质量暗物质的三个主要优先研究方向，“需要实现广泛的敏感性和……达到不同的关键里程碑”：
1、利用DOE加速器产生高能粒子束：创造并探测质子质量和相关力之下的暗物质粒子。这样的实验可能有助于我们了解暗物质的起源，并探索其与普通物质的相互作用。
2、通过与先进超灵敏探测器的相互作用：可以探测到单个星系暗物质粒子，其质量可达质子质量的1万亿倍，已经有地下实验区和设备可用于支持这些新实验。
3、利用先进的超灵敏探测器探测银河系暗物质波：重点是所谓的量子色动力学轴子。理论和技术的进步现在可使科学家在超轻质量范围的整个光谱中探测这种类型的轴子暗物质存在，提供了“对宇宙起源的最早时刻以及超高能量和温度下自然规律的一瞥”。
这个轴子，如果它存在的话，也可以帮助解释与宇宙强力有关的特性。宇宙强力负责将大多数物质结合在一起——例如，它将原子核中的粒子结合在一起。在过去的十年里，对传统WIMP暗物质形式的研究灵敏度提高了1000倍。
科学家们正在建立实验模型
伯克利实验室和加州大学伯克利分校的研究人员将首先把重点放在液氦和砷化镓晶体上，以寻找低质量暗物质粒子之间的相互作用。材料科学的发展也是这个故事的一部分，也考虑到探测器材料中不同类型的激发。除了液氦和砷化镓，可以用来探测暗物质粒子的材料是多种多样的，科学家认为目标多元化非常重要。这些实验预计将在未来几个月内开始，其目标是开发新技术，使它们能够扩大规模，用于其他地点的地下深处实验。
丹·麦肯锡是伯克利实验室的资深科学家，也是加州大学伯克利分校的教授，他正在与一个团队合作，开发使用过冷液氦的低质量暗物质实验。如图所示，加州大学伯克利分校的实验仪器正在组装中。图片：Marilyn Chung/Berkeley Lab
这些实验将提供额外的屏蔽，使其免受来自太阳和其他来源粒子“噪音”的自然冲击。麦肯锡正在加州大学伯克利分校进行原型实验，液氦实验将寻找暗物质粒子引起核反冲的任何迹象——通过这个过程，粒子相互作用会给原子核带来轻微的震动，研究人员希望可以放大并探测到这种震动。其中一个实验试图测量暗物质相互作用产生的激发态，这些激发态会导致单个氦原子的可测量蒸发，如果暗物质粒子(在液氦上)散射，就会得到一团激发。
可以在月球表面得到数百万个激发态——会得到一个很大的热信号。液氦中的原子和砷化镓晶体性质允许它们在粒子相互作用中发光或“闪烁”。研究人员将首先使用更传统的光探测器，即光电倍增管，然后转向更灵敏的下一代探测器。基本上，明年科学家将研究光信号和热信号，热和光的比例会让我们知道每个事件是什么。这些早期研究将决定所测试的技术是否能够有效地在其他提供低噪声环境场所进行低质量暗物质探测，这将使我们能够探测到更低的能量阈值。
新技术带来的新想法
研究还指出了寻找低质量暗物质的各种其他方法。有大量不同、很酷的技术，甚至超出了目前所述那些使用或提出不同方法来寻找低质量暗物质的技术。其中一些依赖于光的单个粒子，即光子的测量，而另一些则依赖于单个原子核或电子发出的信号，或声子原子中非常轻微的集体振动。该研究并没有对现有提议进行排名，而是打算“将科学论证与可能性和实用性结合起来”。物理学是可能性的艺术，暗物质探测我们有动力，因为我们有想法，我们有技术，这就是人类的智慧和令人兴奋之处！
博科园｜研究/来自：劳伦斯伯克利国家实验室
发表于 2019-6-15 15:46
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