科學家重新利用光學機械加速計來尋找暗物質

據外媒報道，科學家們確信暗物質的存在。然而經過50多年的搜尋，他們仍沒有找到這種神秘物質的直接證據。來自特拉華大學(UD)的Swati Singh就是橫跨暗物質學界的一小羣研究人員之一，他們開始懷疑自己是否在尋找正確的暗物質類型。

“如果暗物質比傳統粒子物理實驗要尋找的輕得多呢？”UD的電子和計算機工程助理教授Singh説道。

現在，Singh及一名UD博士生Jack Manley提出了一種新的方法，即通過重新利用現有的桌面傳感器技術來尋找可能構成暗物質的粒子。該團隊最近在《Physical Review Letters》上發表的一篇論文中報告了他們的方法。

該論文的合著者還包括來自亞利桑那州的光學科學助理教授Dalziel Wilson、亞利桑那州的博士生Mitul Dey Chowdhury和哈弗福德學院的物理學助理教授Daniel Grin。

Singh解釋稱，如果把所有發光的物質加起來如恆星、行星和星際氣體，它們只佔宇宙物質的15%。另外的85%被稱為暗物質。它不發光，但研究人員通過它的引力效應知道它的存在。他們也知道它不是普通物質如氣體、塵埃、恆星、行星和我們。

“它可能是由黑洞組成，也可能是由比電子小數萬億倍的東西組成，其被稱為超輕暗物質，”Singh説道。她是一名量子理論家，以推動機械暗物質探測的開創性而聞名。

其中一種可能性是暗物質是由暗光子組成，暗光子是一種暗物質，它會對正常物質施加微弱的振盪力進而導致粒子來回移動。然而，由於暗物質無處不在，它對任何事物都施加這種力，因此很難測量這種運動。

Singh和她的合作者指出，他們認為可以通過光電加速度計作為傳感器來檢測和放大這種振盪來克服這個障礙。

“如果力是材料相關的，那麼通過使用兩個由不同材料組成的物體，它們受到的力就會不同，這意味着你可以測量兩種材料之間的加速度差異，”該論文的第一作者Manley説道。

Wilson是一名量子實驗家，也是UD團隊的合作者之一，他把光學機械加速計比作一個微型音叉。“這是一種振動裝置，由於體積小，對環境擾動非常敏感。”

現在，研究人員提出了一項實驗，即利用氮化硅薄膜和一個固定的鈹鏡在兩個表面之間反射光線。如果兩種材料之間的距離發生變化，那麼研究人員將從反射光得知暗光子的存在--因為氮化硅和鈹擁有不同的材料屬性。

Manly表示，協作是開發實驗設計的關鍵部分。他跟Singh及Wilson和Dey Chowdhury一起進行了理論計算，這些計算進入了建造他們提議的桌面加速度計傳感器的詳細藍圖。與此同時，宇宙學家Grin還幫助闡明瞭超輕暗物質的粒子物理學方面。

作為一名理論家，Manly表示，有機會更多地瞭解設備是如何工作的以及實驗人員如何建造東西來證明他和Singh開發的理論加深了他的專業知識同時還拓寬了他可能的職業道路。

重要的是，這項最新的工作建立在合作團隊於去年夏天發表在《Physical Review》上的研究。這篇論文顯示了一些現有的和近期實驗室規模的設備足夠敏感到可以探測或排除可能是超輕暗物質的粒子。該研究報告稱，某些類型的超輕暗物質會以某種方式與正常物質連接或配對從而導致原子大小的週期性變化。雖然單個原子大小的小波動可能難以注意到，但這種效應在由多個原子組成的物體中會被放大，如果該物體是聲諧振器則可以實現進一步放大。該合作評估了幾種不同材料製成的諧振器的性能--從超流氦到單晶藍寶石，結果發現這些傳感器可以用來檢測暗物質引起的應變信號。

據悉，這兩個項目都得到了來自國家科學基金會的部分資助。

Singh表示，這些論文一起擴展了關於已知的探測暗物質的可能方法的工作並提出了新一代桌面實驗的可能性。