研究人員提出新實驗方法,靠「超薄小鏡子」探測暗物質

作者 | 發布日期 2021 年 06 月 03 日 17:18 | 分類 天文 Telegram share ! follow us in feedly


科學家認為宇宙是由看不見、無形的東西構成,為了證明存在,科學家開始發起尋找第五種基本力的實驗,但現今沒有任何科學實驗可探測到類似暗物質的東西。據《Gizmodo》報導,研究小組提出新實驗設計方案,透過一個超級薄的鏡子,就有機會探測到暗光子。

這項研究發表在《物理評論快報》,指出一個硬幣大小的加速計,理論上能測量出舊式實驗室看不到的超級小粒子。團隊去年夏天就發表篇論文,這項研究則是論文的延續。

新論文主要作者、德拉威爾大學 Swati Singh 實驗室的量子光學研究人員 Jack Manley 表示,理論上,他們希望找到的粒子是「暗光子」,雖然跟光子一樣必須從電磁場表示,但兩種並不同,暗光子有質量,所以很可能跟暗物質有關。

雖然這兩篇論文探討了不同種類的暗物質特徵,但都考慮同一種可能性。量子光學理論家 Swati Singh 表示,「我們的銀河系很可能正游在比電子輕數兆倍的粒子海,而這些尚未探測到的粒子構成所有暗物質」,所以科學家想知道這些粒子是什麼,以及如何在正常物質相互作用間存在關鍵差異。

暗物質不可見,但固定整個星系

在可觀測宇宙,大概只有 5% 由已知物質構成,其餘為理論描述的暗物質占 26.8%、暗能量占 68.3%。歐洲太空總署(ESA)解釋,當你在完全黑暗的房間裡點一把火,你只看得到被火照亮的東西,但這不代表你看不見的房間不存在,同理暗物質也是,雖然不可見,但科學家常形容為將星系固定在一起的「重力膠」。

科學家認為,暗物質可能是一種(或幾種)粒子物理標準模型以外的新粒子,幾種比較熱門的假想暗物質粒子有:軸子(axion)、大質量弱交互作用粒子(WIMP)以及微中子(Neutrino)。另一個想法認為,暗物質可以由原始宇宙中的小黑洞來解釋。

Swati Singh 表示,關於暗物質的密集程度存在很大的不確定性,對於每個地球大量的質量來說,約有一隻松鼠大小的暗物質;但問題不是暗物質有多少,而是這些暗物質能否集中在一個松鼠大小的物質中,並均勻分布成整個地球大小的質量,形成超細顆粒的粒子霧。

從小鏡子探測暗物質

團隊提議準備一張硬幣大小、100 奈米厚的卡片,由一個氮化矽膜和一個鈹鏡子組成,這些材料非常敏感,當光在表面間反彈時,探測器能測量鏡子和膜的距離是否產生任何變化,這將表示有某種東西將它們推開,也暗示新的物理學。

設備類似音叉,可設置以預定的頻率下監聽暗物質;如果建造很多這樣的探測器,就能在每個探測器設定不同的頻率,來注意暗物質,如果在一定時間沒有結果,研究人員就可以繼續調整頻率。

設備可擴展、價格適中,跟傳統的暗物質探測器完全不同,傳統的設備可能要將 1 噸氙氣埋在山下,團隊最新設計可以放在桌上。

Singh 預估,使用該探測器運行的實驗大約還需要 5 年才能投入,不過這些小尺寸的感測器還無法確定能否發現暗物質,但即使是零結果(null result),與預期不符,仍可以讓物理學家知道什麼不是暗物質,讓未來的搜索更加完善。

(首圖來源:Unsplash

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