ADMX突破性的黑暗物质检测技术

日期:2018-05-15 人气:6

在华盛顿大学的ADMX实验大厅内。 ADMX探测器位于地下,被磁场包围。照片:马克斯通/华盛顿大学

em新的研究成果吸收了30多年的研究和开发,并开始对axion微粒的确切搜索。 / em

四十年前,科学家们推出了一种新的低质量粒子,它可以解决自然界的一个长久之谜:暗物质是由什么构成的。现在开始寻找这个粒子的新篇章。

本周,Axion暗物质实验(ADMX)公布了一项新的结果,发表在“物理评论快报”上,该结果将其归入一类:这是世界上第一个也是唯一一个实现了“听”暗示物质轴的迹象。这项技术突破是超过30年的研究和开发的结果,最新的难题以量子效应器件的形式出现,使ADMX能够比任何有史以来建立的实验更加紧密地聆听轴向。


        &nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&由费米实验室管理,安置在华盛顿大学的ADMX是第一个也是唯一一个具有检测轴位暗物质粒子灵敏度的实验。 / em

ADMX由美国能源部费米国家加速器实验室管理,位于华盛顿大学。这一新成果是ADMX第二代产品中的第一款,它为可能隐藏轴的小范围频率设置了限制,并为未来几年的更广泛搜索设定了舞台。

ADMX探测器的剖面图,它可以探测在寒冷,黑暗内部产生光子的轴。图片:ADMX协作

“这一结果标志着真正寻找axions的开始,”Fermilab科学家,ADMX运营经理Andrew Sonnenschein说。 “如果在频段内存在暗物质轴,我们将在未来几年进行探测,那么在我们找到它们之前只是时间问题。”

有一种理论认为,将星系聚集在一起的暗物质可能由大量的低质量粒子组成,这些粒子在流经宇宙时几乎不可见。 20世纪80年代在麻省理工学院当前理论家弗兰克·威尔切克的研究成果中找到了这个粒子,这个粒子被命名为axion,但都没有成功,这表明它们的检测将是非常具有挑战性的。

ADMX是一个轴距镜头 - 本质上是一个大型的低噪音无线电接收器,科学家们可以调谐到不同的频率并听取轴向信号频率。轴几乎不与物质相互作用,但借助强磁场和冷却,黑暗,适当调整的反射箱,ADMX可以“听到”探测器内轴向转换为电磁波时产生的光子。

“如果你想到一个AM收音机,就是这样,”ADMX的共同发言人和华盛顿大学助理教授Gray Rybka说。 “我们已经建立了一个无线电广播站,但我们不知道它的频率。我们在倾听的同时缓慢旋转旋钮。理想情况下,当频率正确时,我们会听到一个声音。“

这种检测方法可能使“看不见的轴系”可见,是由佛罗里达大学的Pierre Sikivie于1983年发明的,银河光晕可以由轴组成。费尔米拉布,罗切斯特大学和美国能源部布鲁克海文国家实验室以及佛罗里达大学的科学家合作进行的开创性实验和分析证明了该实验的实用性。这导致了20世纪90年代后期在美国能源部的劳伦斯利弗莫尔国家实验室建造了一个大型探测器,这是目前ADMX的基础。

然而直到最近,ADMX团队才能将超导量子放大器充分发挥其潜力,使实验达到前所未有的灵敏度。之前的ADMX运行受到热辐射和机器自身电子产生的背景噪声的阻碍。

固定热辐射噪音很容易:制冷系统将检测器冷却至0.1开尔文(大约零下460华氏度)。但消除电子设备的噪音更加困难。 ADMX首次使用标准晶体管放大器,但在与加州大学伯克利分校教授John Clarke联系后,Clarke开发了一款用于实验的量子限幅放大器。这种更安静的技术与制冷设备相结合,将噪音降低了足够的程度,ADMX发现的信号将通过响亮而清晰的信号。

“使用基于晶体管的放大器的这个实验的初始版本需要花费数百年来扫描最可能的轴向质量范围。利用新的超导探测器,我们可以在仅仅几年的时间范围内搜索相同的范围,“ADMX的联合发言人,劳伦斯利弗莫尔国家实验室科学家Gianpaolo Carosi说。

“这个结果产生了一面旗帜,”华盛顿大学教授和ADMX首席科学家Leslie Rosenberg说。 “它告诉世界我们有灵敏度,并且在寻找轴位方面有很好的一击。不需要新技术。我们不再需要奇迹了,我们只需要时间。“
ADMX现在将以这种灵敏度测试数百万个频率。如果发现轴,这将是一个重大发现,不仅可以解释暗物质,还可以解释宇宙中其他萦绕不定的奥秘。如果ADMX没有找到轴心,那可能会迫使理论家为这些谜题设计新的解决方案。

“发现可能在未来几年随时出现,”费米实验室的科学家Aaron Chou说。 “到目前为止,这是一条漫长的道路,但我们即将开始在这个正在进行的轴搜索中最激动人心的时刻。”

出版物:N.Du等人,“用轴向暗物质实验搜索不可见的轴向暗物质”,Physical Review Letters,2018; DOI:10.1103 / PhysRevLett.120.151301