暗物质实验未有意识轴子存在的证据,再度落空

麻省理工学院和其他地方的物理学家进行了一项新实验的第一次运行,该实验旨在探测轴子。轴子是一种假想的粒子,预计是宇宙中最轻的粒子之一。如果它们存在,轴子实际上是看不见的,但却无法逃脱;它们以暗物质的形式占据了宇宙质量的85%。

再次落空 暗物质新实验未发现轴子证据

轴子是特别不寻常的,因为它们被期望在一分钟的水平上改变电和磁的规则。今天发表在《物理评论快报》(Physical
Review
Letters)上的一篇论文中,麻省理工学院领导的研究小组报告称,在观测的第一个月里,该实验在0.31至8.3纳米电子伏特的质量范围内没有发现轴子的迹象。这意味着在这个质量范围内的轴子,相当于质子质量的1
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15次方分之一,要么不存在,要么对电磁的影响比之前认为的更小。这是第一次有人直接研究这个轴子空间.

科技日报北京3月31日电
据物理学家组织网近日报道,美国物理学家正在开展一项新实验,希望能探测到假想中的暗物质粒子——轴子的“蛛丝马迹”,但首轮观测结果未发现质量介于0.31—8.3纳米电子伏特范围内的轴子的迹象。这意味着这一质量范围内的轴子要么不存在,要么对电和磁的影响比以前认为的要小。

虽然轴子被认为无处不在,但据预测,它们实际上就像幽灵一样,与宇宙中的任何其他东西只有微小的互动。作为暗物质,它们不应该影响你的日常生活,但人们认为它们会在宇宙学层面上影响事物,比如宇宙的膨胀和我们在夜空中看到的星系的形成。由于轴子与电磁学的相互作用,理论上认为,它们在磁星(一种能产生巨大磁场的中子星)周围有着令人惊讶的行为。如果轴子存在,它们可以利用磁星的磁场将自身转化为无线电波,而无线电波可以通过地球上的专用望远镜探测到。

最新实验首席研究员、麻省理工学院物理学教授林德利·温斯洛说:“这是第一次有人直接研究这个轴子空间。”

2016年,麻省理工学院的三位理论家受磁星的启发,设计了一项探测轴子的思维实验。研究小组提出了一种设计方案,将一个小甜甜圈形状的磁铁放在冰箱里,温度略高于绝对零度。没有轴子,甜甜圈的中心就不会有磁场。然而,如果轴子存在,探测器应该“看到”甜甜圈中间的磁场.在小组公布了他们的理论设计之后,身为实验主义者的温斯洛开始寻找实际构建实验的方法。温斯洛说:“我们想要寻找一个轴突的信号,如果我们看到它,它确实是轴突。”这就是这个实验的优雅之处。从技术上讲,如果你看到这个磁场,它只可能是轴子,因为他们想到了特殊的几何结构。”

轴子是一种假想出来的基本粒子,被认为是宇宙中质量最轻的粒子之一,与宇宙中其他物质的相互作用非常微小。这些超轻粒子就算真的存在,我们也看不见它,但它可以暗物质的形式构成宇宙质量的85%左右。

这是一个具有挑战性的实验,因为预期的信号小于20阿托-特斯拉。作为参考,地球磁场为30微特斯拉,人类脑电波为1皮特斯拉。在建立这个实验的过程中,温斯洛和她的同事们必须应对两个主要的设计挑战,第一个挑战涉及到用来将整个实验保持在超低温下的冰箱。这台冰箱包括一个机械泵系统,其活动可以产生非常轻微的振动,温斯洛担心这会掩盖轴离子信号。

温斯洛说:“作为暗物质,轴子应该不会影响你的日常生活,但它们可能会影响宇宙的膨胀和我们在夜空中看到的星系的形成。”

第二个挑战与环境中的噪音有关,比如附近电台的噪音,整栋楼的电子设备的开关,甚至电脑和电子设备上的LED灯,所有这些都会产生相互竞争的磁场。

为探测轴子踪迹,2016年,麻省理工学院的三位理论家提出了一项实验——“用一个放大的b场环装置来探测宇宙轴子的宽带/共振方法”(ABRACADABRA)。他们提议设计一种小型环状磁铁,将其置于温度略高于绝对零度(零下273.15摄氏度)的冰箱中,以模拟“磁星”的极端环境。磁星是一种特殊的中子星,能产生极为强大的磁场。他们指出,如果轴子不存在,环形磁铁中央就应该没有磁场;如果轴子存在,巨大的磁场会出现轻微的波动,制造出另一个小得多的磁场,探测器应该可以“看到”这一磁场。

研究小组用一根像牙线一样细的线把整个装置挂起来,解决了第一个问题。第二种方法是在实验室外采用冷超导屏蔽和热屏蔽相结合的方法。“然后我们终于可以收集数据,在一个甜蜜的区域,我们可以在高于冰箱震动的地方,在低于可能来自邻居的环境噪音的地方,我们可以在那里做实验。”

该理论设计发表之后,温斯洛开始构建实验。

澳门新葡8455最新网站,研究人员首先进行了一系列测试,以确认该实验是有效的,并能准确地显示磁场。最重要的测试是注入磁场来模拟一个假轴突,并观察实验的探测器是否产生了预期的信号——这表明如果一个真实的轴突与实验相互作用,就会被检测到。此时,实验已经准备就绪。温斯洛说:“如果你把数据通过音频程序播放,你就能听到冰箱发出的声音。”他说:“我们还看到隔壁有人在不停地发出其他声音,然后这些声音就消失了。当我们观察这个最佳位置时,它结合在一起,我们就理解了探测器的工作原理,它变得足够安静,可以听到轴子的声音。”

2018年,温斯洛团队开展了实验的首次试运行,在当年7月至8月期间不断取样。对这一时期的数据进行分析后,他们没有发现质量介于0.31至8.3纳米电子伏特区间的轴子。

2018年,该团队进行了ABRACADABRA的第一次运行,在7月至8月之间连续采样。在分析了这一时期的数据后,他们没有发现任何轴子的质量范围在0.31到8.3纳米电子伏特之间的证据,这些电子伏特能改变100亿分之一以上的电和磁。这个实验的目的是检测更小质量的轴子,小到大约1飞电子伏,大到1微电子伏。

温斯洛称,他们将继续运行当前实验,以寻找更小更弱的轴子。与此同时,他们也计划扩大实验规模,希望检测到更微弱的轴子,以进一步揭示暗物质的秘密。

该团队将继续进行目前的实验,这是一个篮球大小,以寻找更小和更弱的轴子。与此同时,温斯洛正在研究如何将实验规模扩大到小型车的大小——这种尺寸可以检测出更弱的轴子。温斯洛说:“在实验的下一个阶段,确实有可能有重大发现。”“激励我们的是看到改变这个领域的东西的可能性。这是高风险、高回报的物理学。”