Axion暗物质实验检测技术的突破

释放双眼,带上耳机,听听看~!

四十年前,科学家们推论一种新的低质量粒子,可以解决大自然的不朽的奥秘之一:什么暗物质暗物质 A型物质不与交互或发射出可见光或其他形式的电磁辐射,据我们所知。它的存在是由其明显的引力效应推断出来的。由。。。构成。现在,寻找该粒子的新篇章已经开始。

本周,Axion暗物质实验(ADMX)公布了一项新结果(发表于物理评论快报),将其置于一类:它是世界上第一个也是唯一一个达到“听到”必要灵敏度的实验暗物质轴的迹象。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功能设备的形式出现,使得ADMX可以比任何有史以来的实验更密切地听取轴心。

ADMX由美国能源部的费米国家加速器实验室管理,位于华盛顿大学。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。

“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。”

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。

由费米实验室,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开展的实验和分析证明了该实验的实用性。这导致了20世纪90年代末美国能源部劳伦斯利弗莫尔国家实验室的大型探测器的建设,这是当前ADMX的基础。

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,但在与加州大学伯克利分校的教授约翰克拉克联系后,克拉克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。

ADMX仪器前所未有的灵敏度也部分地通过用作接收器第二级的低噪声低温放大器实现。这种特别设计的放大器最初由Rich Bradley在美国国家射电天文台的中央开发实验室开发,用于绿色望远镜的主要焦点接收器,即使在强大的磁场环境中工作,也非常适合ADMX。

“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联合发言人兼劳伦斯利弗莫尔国家实验室科学家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心。不需要新技术。我们不再需要奇迹了,我们只需要时间。“

ADMX现在将以此灵敏度水平测试数百万个频率。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没有找到轴心,那么可能会迫使理论家为这些谜语设计新的解决方案。

费米实验室的科学家Aaron Chou说:“在未来几年内,任何时候都可能发现这一发现。” “到目前为止,这是一条漫长的道路,但我们即将开始最激动人心的时刻寻找轴心。”

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