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寻找暗物质候选粒子,更高效的方法来了

时间: 2021年03月02日 | 作者: Admin | 来源: 科研圈
一支研究团队使用一种名为“量子压缩”(quantum squeezing)的创新技术,极大提升了实验室搜寻暗物质候选对象的速度。


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HAYSTAC 实验示意图。图片来源:Steven Burrows


来源 University of Colorado at Boulder

翻译 阿金

审校 戚译引


近一百年来,科学家不懈努力,以解开暗物质之谜。暗物质是一种让人难以捉摸的物质,它遍布宇宙,并且可能构成了宇宙大部分的质量。但迄今为止,人们都无法在实验中检测到暗物质。


该研究成果发表在《自然》(Nature)杂志上,其核心是一种质量极小,尚未在实验中观测到的粒子——轴子(axion)。根据理论,轴子的大小可能只有电子的几十亿分之一,甚至几万亿分之一,这些粒子可能在大爆炸时大量产生,足以解释暗物质的存在。然而要找到这一潜在粒子,就好比大海捞针一样难。


但是或许还有一丝希望。研究人员基于耶鲁大学一项名为“耶鲁轴子冷暗物质灵敏潜望镜”(Haloscope at Yale Sensitive To Axion Cold Dark Matter,简称 HAYSTAC)的实验项目,报告他们已经提升了搜寻效率,并克服了热动力学法则制造的障碍。该团队成员包括 JILA 的科学家,JILA 项目是科罗拉多大学博尔德分校(University of Colorago Boulder)和美国国家标准技术研究所(National Institute of Standards and Technology,简称 NIST)的联合项目。


“我们现在的搜寻速度是之前所能达到的两倍。”新论文的两名主要作者之一 Kelly Backes 说道,她是耶鲁大学的研究生。


新方法有助于研究人员更好地分离出轴子微乎其微的信号,这些信号可能存在于自然界极小范围的随机噪声中,有时称为量子涨落(quantum fluctuation)。论文合作者、JILA 项目中 NIST 的成员 Konrad Lehnert 表示,在接下来的几年内,团队成功找到轴子的几率仍然跟中彩票一样小,但这样的几率以后只会越来越大。


“一旦找到了解决量子涨落问题的办法,之后的道路只会越来越宽阔。”Lehnert 补充说,他还是科罗拉多大学博尔德分校物理系教授。


HAYSTAC 由耶鲁大学领导,同时也与 JILA 项目以及加州大学伯克利分校(Universtiy of California, Berkeley)合作。



量子法则


Daniel Palken 是新论文的共同第一作者(co-first author),他解释说轴子踪迹难觅,因为它质量轻巧,既不带电荷,也几乎从不与其他普通物质相互作用,但这也让其成为理想的暗物质候选粒子。


Palken 解释说:“这种粒子几乎没有任何易于检测的特性。”他于 2020 年在 JILA 项目组获得了博士学位。


但是我们仍然有一线希望:如果轴子穿过足够强大的磁场,那么就只有一小部分可能会转变成光波,这便是科学家能够检测到的东西。研究人员已经展开尝试,希望在太空强磁场中发现类似的微弱信号。不过,HAYSTAC 实验仍立足于地球表面,脚踏实地进行着。


2017 年,该项目发表了第一篇研究成果,研究人员使用耶鲁大学的超冷设备,制造出强大磁场,试图检测转变为光的轴子信号。这种搜寻并不容易。科学家已经预测过,轴子的理论质量范围极其广泛,因而在像 HAYSTAC 这样的实验中,每一个轴子都能产生不同频率的光信号。为了发现真正的粒子,研究团队不得不在大范围的可能结果中来回搜寻,就像调试广播信号一样,找出那一个信号微弱的电台。


“如果你不停搜寻这些真正微弱的信号,可能最终要花上几千年的时间。”Palken 说。


团队目前面临的最大障碍正是量子力学法则本身,具体来说,就是海森堡不确定性原理(Heisenberg Uncertainty Principle),它限制了科学家在粒子观测中所能达到的精确度。在这一研究中,该原理使得研究人员无法同时精确测量轴子产生的光的两种不同特性。


然而,HAYSTAC 团队已经开辟了新道路,越过那些牢不可破的量子法则。



转移不确定性


关键技巧在于运用名为约瑟夫森参量放大器(Josephson parametric amplifier)的工具。JILA 的科学家想出办法,用这些小型设备“压缩”HAYSTAC 实验获得的光。


Palken 解释说,HAYSTAC 团队不需要精确检测两种光波的特性,只检测其中一种即可。而压缩的优势就是将不确定性从一方变量转移到另一方。


“压缩正是操控量子力学真空的好办法,让我们能够完美测量一种变量,”Palken 说,“如果尝试测量另一变量,我们获得的精确度就会非常非常低。”


研究人员为了测试自己的方法,在耶鲁大学展开了一次试验性实验,在一定质量范围内寻找粒子。他们最终没有找到,但是实验所耗费的时间比往常缩短了一半,Backes 说。


“我们跑了 100 天的数据,”她说,“而在一般情况下,我们本来需要 200 天来完成这一轮运行,所以最终节省了近 4 个月的时间,这一结果相当惊人。”


Lehnert 补充说,团队努力将这些边界推得更远,积极钻研新方法,挖掘出那根难以搜寻的“针”。


“在发挥这个想法的优势方面,我们还有很大的提升空间,”他总结道。


原文链接: 

https://eurekalert.org/pub_releases/2021-02/uoca-sdn020821.php