加州理工学院 这张哈勃太空望远镜合成图像显示了星系团中一个幽灵般的暗物质“环”
学分:美国宇航局，欧空局，M
J
Jee和H
福特(约翰·霍普金斯大学) 自20世纪80年代以来，研究人员一直在进行实验，寻找构成暗物质的粒子，暗物质是一种弥漫在我们银河系和宇宙中的不可见物质
创造暗物质是因为它不发光，这种物质构成了我们宇宙中80%以上的物质，已经被反复证明可以通过重力影响普通物质
科学家知道它在那里，但不知道它是什么
因此，在理论物理学教授凯瑟琳·祖里克的带领下，加州理工学院的研究人员重新开始思考新的想法
他们一直在研究暗物质由“隐藏的扇形”粒子组成的可能性，这种粒子比之前提出的粒子更轻，理论上可以用小型的地下桌面设备找到
相比之下，科学家们正在利用氙等大规模实验寻找被称为弱相互作用大粒子(WIMPs)的较重暗物质候选者，氙被安装在意大利一个70，000加仑的水箱中
“暗物质总是流过我们，甚至在这个房间里，”祖瑞克说，他在十多年前首次提出了隐藏扇形粒子
“当我们绕着星系中心移动时，这种稳定的暗物质风几乎不会被注意到
但是我们仍然可以利用暗物质的来源，设计新的方法来寻找暗物质风和探测器之间罕见的相互作用
" 在《物理评论快报》杂志上发表的一篇新论文中，物理学家概述了如何通过一种被称为磁振子的准粒子来探测较轻的暗物质粒子
准粒子是当固体表现得好像它包含弱相互作用粒子时出现的一种现象
磁振子是一种准粒子，其中电子自旋——就像小磁铁一样——受到集体激发
在研究人员关于桌面实验的想法中，磁性结晶材料将被用来寻找暗物质产生的受激磁振子的迹象
“如果暗物质粒子比质子轻，那么用传统方法探测它们的信号就变得非常困难，”加州理工学院博士后(凯文)张说
“但是，根据许多动机良好的模型，特别是那些涉及隐藏扇区的模型，暗物质粒子可以与电子的自旋耦合，这样一旦它们撞击到物质上，就会引发自旋激发，或者说磁振子
如果我们通过冷却设备并将其移动到地下来降低背景噪音，我们就有望探测到仅由暗物质而不是普通物质产生的磁振子
" 在这一点上，这样的实验只是理论上的，但最终可能会使用地下的小型设备进行，可能是在矿井中，在那里，来自其他粒子(如宇宙射线中的粒子)的外部影响可以被最小化
桌面实验中暗物质探测的一个信号是信号的变化，这取决于一天中的时间
这是因为用于探测暗物质的磁性晶体可以是各向异性的，这意味着当暗物质从某个方向进入时，原子自然会以某种方式与暗物质发生更强的相互作用
“当地球穿过银河暗物质晕时，它感觉到暗物质风从行星移动的方向吹来
“固定在地球某个位置的探测器随着行星旋转，所以暗物质风在一天的不同时间从不同方向撞击它，比如说，有时从上面，有时从侧面，”张说
“例如，在白天，当暗物质来自上方时，你的探测率可能比来自侧面时更高
如果你看到了，那将是非常壮观的，也是你看到暗物质的一个非常强烈的迹象
" 除了通过磁振子之外，研究人员对暗物质如何暴露自己还有其他想法
他们提出，较轻的暗物质粒子可以通过光子以及另一种被称为声子的准粒子来探测，这种准粒子是由晶格振动引起的
基于光子和声子的初步实验正在加州大学伯克利分校进行，该团队于2019年加入加州理工学院之前在该校工作
研究人员说，使用这些多重策略来寻找暗物质是至关重要的，因为它们相辅相成，有助于确认彼此的结果
“我们正在寻找寻找暗物质的新方法，因为考虑到我们对暗物质的了解是如此之少，所有的可能性都值得考虑，”张说
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