跨学科合作将看不见的暗物质变成看得见的光

左侧星系团，右侧可见暗物质环。资料来源：NASA、ESA、M. J. Jee 和 H. Ford（约翰霍普金斯大学）

为了揭开它的神秘面纱，科学家们进行了数次实验，但尽管科学家们进行了数十年的探索，仍然一无所获。现在，我们正在美国耶鲁大学进行的新实验提供了一种新方法。

自古以来，暗物质就一直存在于宇宙中，将恒星和星系连接在一起。它无形而微妙，似乎不会与光或任何其他物质发生相互作用。事实上，它一定是一种全新的物质。

粒子物理学的标准模型是不完整的，这是一个问题。我们必须寻找新的基本粒子。令人惊讶的是，标准模型的同样缺陷却为我们提供了新粒子可能藏身之处的宝贵提示。

以中子为例。它与质子一起构成原子核。尽管中子总体上是中性的，但该理论认为它是由三个带电的组成粒子（称为夸克）构成的。正因为如此，我们会发现中子的某些部分带正电，而另一些部分则带负电--这意味着它具有物理学家所说的电偶极矩。

然而，许多测量它的尝试都得到了同样的结果：它太小了，无法被探测到，它又成了一个幽灵。我们谈论的不是仪器的不足，而是一个必须小于百亿分之一的参数。它是如此微小，以至于人们怀疑它是否可能完全为零。

然而，在物理学中，数学上的"零"总是一个强有力的陈述。上世纪 70 年代末，粒子物理学家罗伯托-佩奇和海伦-奎恩（以及后来的弗兰克-威尔切克和史蒂文-温伯格）试图将理论与证据结合起来。

他们认为，也许这个参数并不为零。相反，它是一个在宇宙大爆炸后慢慢失去电荷、演变为零的动态量。理论计算表明，如果发生了这样的事件，它一定会留下许多轻盈、诡异的粒子。

因为它们可以"清除"中子问题，所以被冠以"axions"（一种洗涤剂品牌）之名。更有甚者。如果轴子是在早期宇宙中产生的，那么它们从那时起就一直存在。最重要的是，它们的特性符合暗物质的所有预期。由于这些原因，轴子已成为暗物质最受欢迎的候选粒子之一。

轴子只会与其他粒子产生微弱的相互作用。然而，这意味着它们仍会发生一些相互作用。看不见的轴子甚至可以转化为普通粒子，包括--讽刺的是--光子，光的本质。在特殊情况下，比如存在磁场时，这种情况可能会发生。这对实验物理学家来说简直是天赐良机。

许多实验都试图在实验室的受控环境中唤起轴子幽灵。例如，有些实验旨在将光转化为轴子，然后在墙的另一侧将轴子重新转化为光。

目前，最灵敏的方法是利用一种名为"光镜"的装置，瞄准弥漫在银河系（进而地球）中的暗物质光环。它是一个浸没在强磁场中的导电空腔；前者捕捉我们周围的暗物质（假设是轴子），后者诱导其转化为光。其结果是在空腔内出现电磁信号，并根据轴子质量以特征频率振荡。

该系统的工作原理类似于接收无线电。需要对其进行适当调整，以截取我们感兴趣的频率。实际上，腔体的尺寸会发生变化，以适应不同的特征频率。如果轴心和空腔的频率不匹配，就像把收音机调错频道一样。

强力磁铁被移至耶鲁大学实验室。资料来源：耶鲁大学

遗憾的是，我们寻找的频道无法提前预测。别无选择下只能扫描所有可能的频率。这就好比用一台老式收音机在茫茫白噪声中寻找一个电台--大海捞针，每次转动频率旋钮都要变大或变小。

然而，这些并不是唯一的挑战。宇宙学指出，数十千兆赫是轴子搜索的最新、最有希望的前沿领域。由于更高的频率需要更小的腔体，探索这一区域需要的腔体太小，无法捕捉到有意义的信号量。

新的实验正试图寻找替代路径。我们的轴心纵向等离子体光镜（阿尔法）实验使用了一种基于超材料的新概念腔体。

超材料是一种复合材料，具有不同于其组成成分的整体特性--它们超越了各部分的总和。一个充满导电棒的空腔，在体积几乎没有变化的情况下，其特征频率仿佛小了一百万倍。这正是我们所需要的。此外，导电棒还提供了一个内置的、易于调节的调谐系统。

目前，我们正在建设该装置，几年后就可以采集数据。这项技术前景广阔。它的开发是固态物理学家、电气工程师、粒子物理学家甚至数学家通力合作的结果。

尽管轴子如此难以捉摸，但它正在推动着进步，任何幽灵都无法夺走它。

作者：Andrea Gallo Rosso，斯德哥尔摩大学物理学博士后。改编自最初发表在《对话》上的一篇文章。

编译来源：ScitechDaily