试图在地下室捕捉暗物质

很少有东西像暗物质一样具有神秘的光环。这个名字本身就散发着神秘的气息，暗示着隐藏在宇宙阴影中的东西。

一个名为COHERENT的科学家合作团队，包括艺术与科学杰出物理学教授KateScholberg、物理学副教授PhillipBarbeau和博士后学者DanielPershey，试图将暗物质从宇宙的阴影中带出并进入稍微不那么迷人的目的地：地下室灯火通明的狭窄走廊。

不过，这不是普通的地下室。该团队在橡树岭国家实验室的一个绰号为中微子巷的区域工作，通常专注于称为中微子的亚原子粒子。它们是在恒星死亡并变成超新星时产生的，或者，在更实际的层面上，作为粒子加速器中质子碰撞的副产品。

并非巧合的是，中微子巷就位于世界上最强大的粒子加速器之一——橡树岭的散裂中子源(SNS)的正下方。NeutrinoAlley设有一系列探测器，专门用于观察中微子穿过并与之碰撞时的情况。

不过，中微子并不是SNS运营的唯一副产品。当粒子加速器将质子撞击在一起时，也会产生暗物质(不要与电影反派最喜欢的反物质混淆)。经过多年的理论计算，相干团队开始利用SNS的能力和中微子探测器的灵敏度来观察NeutrinoAlley中的暗物质。

“我们没有看到它，”Scholberg说。“当然，如果我们看到了，那会更精彩，但没有看到，其实是一件大事。”

她解释说，他们的中微子探测器没有观测到暗物质这一事实使他们能够极大地完善暗物质的理论模型。

“如果暗物质具有某些特征，我们确切地知道探测器将如何响应暗物质，所以我们正在寻找那个特定的指纹。”

所讨论的指纹是中微子探测器中的原子核在被中微子或在这种情况下被暗物质粒子撞击时反冲的方式。

“这就像向冰面上的保龄球投掷弹丸，”Pershey说。在他的类比中，保龄球是中微子探测器中包含的原子——在这个实验中，它是一个14.6千克的碘化铯晶体。“你可以通过保龄球接触时的后坐力来了解很多关于弹丸及其投掷力的信息。”

谈到暗物质，任何信息都是好信息。没有人真正知道它是什么。大约100年前，物理学家意识到，如果宇宙所包含的只是我们能看到的东西，它就不会像现在这样运行。

“我们正漂浮在暗物质的海洋中，”橡树岭国家实验室中微子研究小组负责人、该研究的合著者杰森纽比说。物理学家的共识是，暗物质占宇宙质量的85%。它必须受到引力的影响才能解释宇宙的行为，但它不与任何光或电磁波相互作用，呈现黑暗。

Pershey说：“我们通过观察围绕彼此旋转的大星系了解了这一点，发现它们的旋转速度比应有的速度快得多，这意味着它们的质量比看起来的要大。”“所以我们知道那里有额外的东西，我们只需要知道在哪里寻找它。”

Newby说：“尽管我们处于几乎没有结果的境界，但重要的是，无论你在哪里看，你都看，然后你可以排除大量的可能性，并专注于一个新的战略领域而不是仅仅使用‘墙上的意大利面条’方法。”

Scholberg说：“我们正在扩大我们对暗物质模型可能存在的范围，这是非常强大的。”

她指出，成就并不止于此：该实验还让团队以一种新的方式扩展了全球对暗物质的搜索。

“典型的探测技术是进入地下，建造一个非常灵敏的探测器，等待这些暗物质粒子恰好通过，”Pershey说。

问题?暗物质粒子可能在空气中非常悠闲地移动。如果它们碰巧也很轻，则它们可能无法以足够的能量到达检测器以创建可检测的指纹。

COHERENT团队的实验设置解决了这个问题。

“当你使用加速器时，你会产生更高能量的粒子，”Pershey说。“这让他们更有能力敲入原子核并使暗物质信号出现。”

所以现在怎么办?它还没有完全回到绘图板上。NeutrinoAlley目前正准备接收一个更大、更灵敏的探测器，结合COHERENT改进的搜索参数，将大大提高捕获这些恶魔粒子之一的机会。

Pershey说：“我们正处在暗物质应该存在的地方的门口。”

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