暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)軸的證據(jù)

來(lái)自麻省理工學(xué)院和其他地方的物理學(xué)家進(jìn)行了第一次新的實(shí)驗(yàn)來(lái)檢測(cè)軸 - 假設(shè)的粒子被預(yù)測(cè)為宇宙中最輕的粒子之一。如果它們存在，那么斧頭幾乎是不可見(jiàn)的，但又是不可避免的; 它們可以以暗物質(zhì)的形式構(gòu)成宇宙質(zhì)量的近85%。

軸線特別不尋常，因?yàn)樗鼈冇型谝欢ǔ潭壬细淖冸娏痛帕Φ囊?guī)則。在“ 物理評(píng)論快報(bào)”上發(fā)表的一篇論文中 ，麻省理工學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的研究小組報(bào)告說(shuō)，在觀察的第一個(gè)月，該實(shí)驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)在0.31至8.3納電子伏特的質(zhì)量范圍內(nèi)存在軸的跡象。這意味著質(zhì)量范圍內(nèi)的軸，相當(dāng)于質(zhì)子質(zhì)量的大約一個(gè)數(shù)量級(jí)，或者不存在，或者它們對(duì)電和磁的影響比以前認(rèn)為的要小。

“這是第一次有人直接看到這個(gè)空間，”該實(shí)驗(yàn)的首席研究員，麻省理工學(xué)院物理學(xué)教授Jerrold R. Zacharias職業(yè)發(fā)展助理教授Lindley Winslow說(shuō)。“我們很高興我們現(xiàn)在可以說(shuō)，'我們有辦法看到這里，我們知道如何做得更好!'”

溫斯洛的麻省理工學(xué)院合著者包括第一作者Jonathan Ouellet，Chiara Salemi，Zachary Bogorad，Janet Conrad，Joseph Formaggio，Joseph Minervini，Alexey Radovinsky，Jesse Thaler和Daniel Winklehner，以及其他八所院校的研究人員。

Magnetars和munchkins

雖然他們被認(rèn)為無(wú)處不在，但預(yù)計(jì)軸心幾乎就像鬼一樣，只與宇宙中的其他物質(zhì)發(fā)生微小的相互作用。

“作為暗物質(zhì)，它們不應(yīng)該影響你的日常生活，”溫斯洛說(shuō)。“但他們被認(rèn)為會(huì)影響宇宙學(xué)上的事物，比如宇宙的膨脹和我們?cè)谝箍罩锌吹降男窍档男纬伞?rdquo;

由于它們與電磁學(xué)的相互作用，理論上的軸在磁化器周圍具有令人驚訝的行為 - 一種中子星可以產(chǎn)生巨大的磁場(chǎng)。如果存在軸，它們可以利用磁星的磁場(chǎng)將自身轉(zhuǎn)換成無(wú)線電波，這可以通過(guò)地球上的專用望遠(yuǎn)鏡來(lái)檢測(cè)。

2016年，麻省理工學(xué)院的三位理論家開(kāi)展了一項(xiàng)思想實(shí)驗(yàn)，用于探測(cè)受磁力激發(fā)的軸。該實(shí)驗(yàn)被稱為ABRACADABRA，用于A寬帶/共振宇宙軸檢測(cè)方法，具有放大B場(chǎng)環(huán)裝置，由Thaler構(gòu)思，他是物理學(xué)副教授，核科學(xué)實(shí)驗(yàn)室研究員和理論物理中心，Benjamin Safdi，麻省理工學(xué)院Pappalardo研究員，前研究生Yonatan Kahn。

該團(tuán)隊(duì)提出了一種小型環(huán)形磁鐵的設(shè)計(jì)，該磁鐵保持在冰箱中，溫度剛好高于絕對(duì)零度。如果沒(méi)有軸，就不應(yīng)該在甜甜圈的中心有磁場(chǎng)，或者像溫斯洛所說(shuō)的那樣，“munchkin應(yīng)該在哪里。”然而，如果存在軸，探測(cè)器應(yīng)該“看到”中間的磁場(chǎng)。甜甜圈

在小組發(fā)表他們的理論設(shè)計(jì)之后，實(shí)驗(yàn)主義者溫斯洛開(kāi)始著手尋找實(shí)際構(gòu)建實(shí)驗(yàn)的方法。

溫斯洛說(shuō)：“我們想要尋找一個(gè)軸的信號(hào)，如果我們看到它，它就是真正的軸心。” “這就是這個(gè)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)雅之處。從技術(shù)上講，如果你看到這個(gè)磁場(chǎng)，它只能是軸，因?yàn)樗麄兿氲降奶厥鈳缀涡螤睢?/p>

在甜蜜的地方

這是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的實(shí)驗(yàn)，因?yàn)轭A(yù)期信號(hào)小于20 atto-Tesla。作為參考，地球的磁場(chǎng)是30微特斯拉，人腦波是1微微特斯拉。在構(gòu)建實(shí)驗(yàn)時(shí)，溫斯洛和她的同事不得不面對(duì)兩個(gè)主要的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，第一個(gè)涉及用于將整個(gè)實(shí)驗(yàn)保持在超級(jí)溫度的冰箱。冰箱包括一個(gè)機(jī)械泵系統(tǒng)，其活動(dòng)可能產(chǎn)生非常輕微的振動(dòng)，溫斯洛擔(dān)心這可能掩蓋軸心信號(hào)。

第二個(gè)挑戰(zhàn)與環(huán)境噪聲有關(guān)，例如附近的無(wú)線電臺(tái)，整個(gè)建筑物內(nèi)的電子設(shè)備開(kāi)啟和關(guān)閉，甚至計(jì)算機(jī)和電子設(shè)備上的LED燈，所有這些都可能產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)的磁場(chǎng)。

該團(tuán)隊(duì)通過(guò)懸掛整個(gè)裝置，使用像牙線一樣薄的線來(lái)解決第一個(gè)問(wèn)題。第二個(gè)問(wèn)題是通過(guò)冷超導(dǎo)屏蔽和圍繞實(shí)驗(yàn)外部的熱屏蔽的組合來(lái)解決的。

“我們最終可以獲取數(shù)據(jù)，并且有一個(gè)甜蜜的區(qū)域，我們高于冰箱的振動(dòng)，低于可能來(lái)自鄰居的環(huán)境噪音，我們可以在那里進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。”

研究人員首先進(jìn)行了一系列測(cè)試，以確認(rèn)實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行并準(zhǔn)確顯示磁場(chǎng)。最重要的測(cè)試是注入磁場(chǎng)來(lái)模擬假軸，并看到實(shí)驗(yàn)的探測(cè)器產(chǎn)生了預(yù)期的信號(hào) - 表明如果真實(shí)的軸與實(shí)驗(yàn)相互作用，它將被檢測(cè)到。此時(shí)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備好了。

“如果您通過(guò)音頻程序獲取數(shù)據(jù)并運(yùn)行它，您就可以聽(tīng)到冰箱發(fā)出的聲音，”溫斯洛說(shuō)。“我們還看到其他噪音在隔壁做某事的時(shí)候會(huì)打開(kāi)和關(guān)閉，然后噪音消失了。當(dāng)我們看到這個(gè)最佳點(diǎn)時(shí)，它就會(huì)保持在一起，我們就能理解探測(cè)器是如何工作的，它會(huì)變得安靜，足以聽(tīng)到軸心。“

看到了群

2018年，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了ABRACADABRA的首次試運(yùn)行，在7月至8月期間不斷取樣。在分析了這一時(shí)期的數(shù)據(jù)后，他們發(fā)現(xiàn)在0.31至8.3納米電子伏特的質(zhì)量范圍內(nèi)沒(méi)有證據(jù)表明存在超過(guò)一百億分之一的電力和磁力。

該實(shí)驗(yàn)旨在檢測(cè)甚至更小質(zhì)量的軸，低至約1 femtoelectronvolts，以及大至1微電子伏特的軸。

該團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)運(yùn)行當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)大約相當(dāng)于籃球的大小，以尋找更小更弱的軸。與此同時(shí)，溫斯洛正在研究如何將實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展到緊湊型汽車的尺寸 - 尺寸可以檢測(cè)甚至更弱的軸。

“在實(shí)驗(yàn)的下一階段，很有可能發(fā)現(xiàn)重大發(fā)現(xiàn)，”溫斯洛說(shuō)。“激勵(lì)我們的是有可能看到會(huì)改變這個(gè)領(lǐng)域的東西。這是高風(fēng)險(xiǎn)，高回報(bào)的物理學(xué)。“