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对暗物质的最终搜索

四十年前,科学家们推出了一种新型的低质量粒子,它可以解决自然界中一个持久的奥秘:暗物质是由什么构成的。对这个粒子的搜索才刚刚开始。

Axion暗物质实验(ADMX)公布了一项新结果(发表于4月9日的“ 物理评论快报”),将其置于一类:它是世界上第一个也是唯一一个达到必要灵敏度的实验“听到”暗物质斧头的迹象。这项技术突破是30多年研究和开发的结果,最新一块拼图以量子器件的形式出现,使ADMX能够比任何有史以来的实验更密切地听取轴心。

ADMX 于1994年在劳伦斯利弗莫尔实验室(LLNL)委托建造并在那里运营,直到2010年搬到华盛顿大学进行一系列升级。它由能源部的费米加速器实验室管理。这一新结果是第二代ADMX的第一代产品,它设定了可能隐藏轴的小范围频率的限制,并为未来几年更广泛的搜索奠定了基础。

ADMX是第一个在微观(eV)质量范围(最佳搜索区域)内达到可能的暗物质轴对耦合范围的实验。为了比较,电子的质量为511keV(或者比预期的轴数大11倍的质量)。

“这一结果预示着真正寻找轴心的开始,”费米实验室的ADMX运营经理Andrew Sonnenschein表示。“如果在频段内存在暗物质轴,我们将在未来几年内进行探测,那么在我们找到它们之前只是时间问题。”

LLNL博士后Nathan Woollett(左),威斯康星大学夏季学生Jenny Smith(Harvey Mudd学院),威斯康星大学博士后Rakshya Khatiwada和LLNL暑期学生Sophia Schwalbe(安德里 - 里德尔大学)在大学数据运行之前将组件安装到ADMX插页中华盛顿

一种理论认为,将星系固定在一起的暗物质可能由大量的低质量粒子组成,这些粒子在流过宇宙时几乎看不到。20世纪80年代,由理论家Frank Wilczek(现为麻省理工学院)命名为这种粒子的努力未能成功,表明他们的探测极具挑战性。

ADMX是一种axion haloscope--本质上是一种大型,低噪声的无线电接收器,科学家可以调谐到不同的频率并听取寻找信号的频率。轴几乎从不与物质相互作用,但借助强磁场和冷,暗,适当调谐的反射盒,ADMX可以“听到”当轴在探测器内转换成电磁波时产生的光子。

“如果你想到一台AM收音机,那就完全一样了,”ADMX联合发言人,华盛顿大学助理教授Gray Rybka说。“我们已经建立了一个寻找无线电台的无线电台,但我们不知道它的频率。我们在听的时候慢慢转动旋钮。理想情况下,当频率合适时,我们会听到一个音调。“

1983年,佛罗里达大学的皮埃尔·西基维(Pierre Sikivie)发明了这种可能使“隐形轴”可见的检测方法,以及银河系晕可以由轴制成的概念。费米实验室,罗彻斯特大学和布鲁克海文实验室以及佛罗里达大学的科学家合作开展的实验和分析证明了该实验的实用性。这导致了在20世纪90年代末在劳伦斯利弗莫尔(Lawrence Livermore)建造一个大型探测器,这是当前ADMX的基础。

华盛顿大学教授和ADMX联合发言人Gray Rybka(左)和LLNL工作人员科学家和ADMX联合发言人Gianpaolo Carosi(右)致力于ADMX插入工作。摄影:Pat McGiffert /华盛顿大学。

然而,直到最近,ADMX团队才能够充分发挥超导量子放大器的作用,使实验达到前所未有的灵敏度。之前的ADMX运行受到热辐射产生的背景噪声和机器自身电子设备的阻碍。

固定热辐射噪声很容易:制冷系统将探测器冷却至0.1开尔文(大约-460华氏度)。但是消除电子产品的噪音更加困难。第一批ADMX使用标准晶体管放大器,其噪声温度为几开尔文,这将主导系统中的噪声。关键的技术飞跃来自加州大学伯克利分校的教授约翰克拉克,他为实验开发了一种量子限制放大器。这种更安静的技术与制冷单元相结合,可以将噪音降低到足够高的水平,使得ADMX发现的信号将大声清晰地传递出来。

LLNL建造了目前安装的微波腔(主腔和“侧车”现场试验腔),运动控制系统,如果未发现轴,则正在开发下一个频率范围的腔体在当前的数据运行中。此外,LLNL负责对LLNL稀释冰箱中的超导电子设备(称为“SQUIDADEL”,因为它包含多个基于SQUID的RF放大器)进行系统测试。

LLNL postdoc Nathan Woollett在ADMX实验中安装了量子放大器系统。摄影:George Kitrinos / LLNL。

“这种组合腔和量子电子组件真正构成了ADMX实验的核心,而较小的'侧车'腔可以在不影响主要实验的情况下对新技术进行现场测试。”LLNL博士后研究员Nathan Woollett说。引导侧车腔操作。

“这个实验的初始版本,基于晶体管的放大器将需要数百年的时间来扫描最可能的轴力质量范围。使用新的超导探测器,我们可以在短短几年的时间尺度内搜索相同的范围,“ADMX的联合发言人兼LLNL的科学家Gianpaolo Carosi说。

华盛顿大学教授,ADMX首席科学家莱斯利罗森伯格说:“这个结果是一面旗帜。” “它告诉全世界我们有敏感性并且非常善于发现轴。不需要新技术。我们不再需要奇迹了,我们只需要时间。“

ADMX将在此灵敏度水平下测试数百万个频率。如果找到了轴心,这将是一个重大的发现,不仅可以解释暗物质,还可以解释宇宙中其他挥之不去的神秘事物。如果ADMX没有找到轴,那么可能迫使理论家为这些问题设计新的解决方案。

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