科罗拉多大学博尔德分校 一位艺术家对HAYSTAC实验内部运作的描述
信用:史蒂文·布伦斯 近一个世纪以来，科学家们一直致力于揭开暗物质的神秘面纱。暗物质是一种难以捉摸的物质，它遍布宇宙，可能构成了宇宙的大部分物质，但迄今为止，已被证明无法在实验中探测到
现在，一组研究人员使用了一种叫做“量子压缩”的创新技术，大大加快了在实验室中寻找暗物质候选物的速度
今天发表在《自然》杂志上的这一发现集中在一种被称为轴子的非常轻且尚未被发现的粒子上
根据理论，轴子可能比电子小几十亿到几万亿倍，并且可能是在大爆炸期间以巨大的数量产生的——足以解释暗物质的存在
然而，找到这个有希望的粒子有点像在一个真正大的干草堆中寻找一根量子针
可能会有一些缓解
一个名为耶鲁大学对轴子冷暗物质敏感的晕镜实验的项目的研究人员报告说，他们已经提高了搜寻效率，克服了热力学定律施加的一个基本障碍
该小组包括JILA的科学家，这是科罗拉多大学博尔德分校和国家标准与技术研究所(NIST)的联合研究所
这份新论文的两位主要作者之一、耶鲁大学的研究生凯利·巴克斯说:“这是我们以前所能做到的速度的两倍。”
这种新方法让研究人员能够更好地从自然界中极小尺度的随机噪声中分离出可能轴子的微弱信号，这种随机噪声有时被称为“量子波动”
该研究的合著者、JILA大学的NIST研究员康拉德·莱赫纳特说:“在未来几年内，这个团队找到axion的几率仍然和中彩票差不多。”
但是这些几率只会越来越大
“一旦你有了绕过量子波动的方法，你的道路就会变得越来越好，”莱纳特说，他也是博尔德大学物理系的教授
海斯塔斯由耶鲁大学领导，是JILA大学和加州大学柏克莱分校的合作伙伴
量子定律 这篇新论文的第一作者之一丹尼尔·帕尔肯解释说，轴子之所以如此难以发现，也是因为它是暗物质的理想候选者——它很轻，不带电荷，几乎从不与正常物质相互作用
“它们不具备任何使粒子易于探测的特性，”获得博士学位的帕尔肯说
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2020年来自JILA 但是有一线希望:如果轴子穿过足够强的磁场，其中一小部分可能会转变成光波——这是科学家可以探测到的
研究人员已经开始努力在太空的强磁场中寻找这些信号
然而，海斯塔斯克实验将脚踏实地
该项目于2017年发布了第一个发现，它在耶鲁大学校园里使用了一个超冷设备来产生强磁场，然后试图检测轴子变成光的信号
这不是一个简单的搜索
科学家们预测轴子可能会表现出极其广泛的理论质量，在像HAYSTAC这样的实验中，每个轴子都会产生不同光频率的信号。
然后，为了找到真正的粒子，研究小组可能不得不尝试各种各样的可能性——比如调谐收音机来找到一个单一的微弱的电台
“如果你试图深入这些非常微弱的信号，它可能会花费你几千年的时间，”帕尔肯说
该团队面临的一些最大障碍是量子力学本身的定律——即海森堡测不准原理，它限制了科学家对粒子的观察的准确性
在这种情况下，该团队无法同时准确测量轴子产生的光的两种不同属性
然而，HAYSTAC团队已经找到了一种方法来摆脱那些不可改变的定律
不断变化的不确定性 诀窍在于使用一种叫做约瑟夫森参量放大器的工具
JILA大学的科学家们开发了一种方法，利用这些小装置来“挤压”他们从HAYSTAC实验中获得的光线
帕尔肯解释说，HAYSTAC团队不需要精确检测入射光波的两种特性——只需检测其中一种
挤压利用了这一点，将测量中的不确定性从一个变量转移到另一个变量
帕尔肯说:“挤压只是我们操纵量子力学真空的一种方式，让我们能够很好地测量一个变量。”
“如果我们试图测量另一个变量，我们会发现我们的精确度很低
" 为了测试这种方法，研究人员在耶鲁大学进行了一次试运行，寻找一定质量范围内的粒子
巴克斯说，他们没有找到它，但是实验花费了通常时间的一半
“我们做了100天的数据运行，”她说
“通常，完成这篇论文需要200天，所以我们节省了三分之一的时间，这是非常不可思议的
" 莱纳特补充说，该组织渴望将这些界限推得更远——想出新的方法来挖掘那根永远难以捉摸的针
“仅仅是为了让这个想法更好地发挥作用，还有很多事情要做，”他说
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