暗物質太輕怎麼辦？科學家呼籲進行小規模實驗以擴大搜尋範圍！以小規模探測形式，對暗物質的搜索正在擴大。雖然暗物質在宇宙中有大量存在——它是迄今為止最常見的物質形式，但它也隱藏在普通的視線中。

還不知道暗物質具體是由什麼構成，儘管科學家可以看到它對已知物質的引力。大質量弱相互作用粒子(wimp)理論已經成為暗物質組成的可能候選之一，但它們還沒有出現在科學家預期的地方。

撒下許多小網，擴大範圍

因此，科學家們現在正加倍努力，設計新的、靈活的實驗，以尋找以前從未探索過的粒子質量和能量範圍內的暗物質，並使用以前從未測試過的方法。這種新方法不是依靠幾個大型實驗的“網”來捕捉一種暗物質，而是類似於用更細的網，來撒許多網捕捉探索更多範圍的暗物質。暗物質可能比之前認為的“更輕”，或者質量更小，能量更小。它可以由理論上的波狀超輕粒子組成，這些超輕粒子被稱為軸子。暗物質可能是一個充滿許多尚未發現的粒子王國，它可能根本不是由粒子組成。

美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(Berkeley Lab)的資深科學家和理論物理學家凱瑟琳·祖雷克(Kathryn Zurek)指出：低質量暗物質實驗的勢頭一直在增強，這可能會擴大我們目前對粒子物理標準模型中所包含物質構成的理解。Zurek也隸屬於加州大學伯克利分校，他是提出低質量暗物質理論和探測方法的先驅。除了標準模型，我們還有什麼物理實驗證據？暗物質是最好的物質之一，這些理論觀點已經存在了十年左右了。

• （博科園-圖示）加州大學伯克利分校物理系研究員、博士後林俊鬆(Junsong Lin)拿著加州大學伯克利分校(UC Berkeley)正在開發的一種低質量暗物質探測器部件。圖片：Marilyn Chung/Berkeley Lab

隨著技術的新發展，如量子傳感器和探測材料的新進展，也有助於推動新的實驗。在過去的十年裡，這個領域已經成熟並開花結果。它已經成為主流——不再是邊緣地帶。低質量暗物質的討論已經從小型會議和研討會轉移到尋找暗物質總體戰略的一個組成部分。伯克利實驗室和加州大學伯克利分校憑藉其在暗物質理論、實驗、前沿探測器和目標研發方面的專長，將在這一新興的暗物質搜尋領域產生重大影響。

研究重點需要尋找“更輕”的暗物質

在美國能源部舉辦暗物質高能物理研討會的基礎上，發佈了一份名為《暗物質小項目新倡議的基礎研究需求》報告，強調了Zurek和伯克利實驗室其他研究人員對暗物質的相關研究。Zurek和加州大學伯克利分校實驗室資深科學家、加州大學伯克利分校物理學教授丹·麥肯錫(Dan McKinsey)共同領導了一個專注於暗物質直接探測技術的研討會小組，該小組對該報告做出了貢獻。

• 加州大學伯克利分校(UC Berkeley)建立了一個低質量暗物質探測實驗。圖片：Junsong Lin/Berkeley Lab, UC Berkeley

該研究報告建議將重點放在小型實驗上，尋找質量小於質子的暗物質粒子項目成本從200萬美元到1500萬美元不等。質子是每個原子核內的亞原子粒子，每個原子核的重量約為電子1850倍。這一新的更低質量搜索工作將“最終理解宇宙暗物質的本質，這是首要目標”。麥肯錫表示，美國能源部(U.S. Department of Energy)今年也進行了相關努力，為新的暗物質實驗徵求建議，伯克利實驗室也參與了這項建議的過程。

擴展搜索中的3個優先級

該研究報告強調了尋找更低質量暗物質的三個主要優先研究方向，“需要實現廣泛的敏感性和……達到不同的關鍵里程碑”：

1、利用DOE加速器產生高能粒子束：創造並探測質子質量和相關力之下的暗物質粒子。這樣的實驗可能有助於我們瞭解暗物質的起源，並探索其與普通物質的相互作用。

2、通過與先進超靈敏探測器的相互作用：可以探測到單個星系暗物質粒子，其質量可達質子質量的1萬億倍，已經有地下實驗區和設備可用於支持這些新實驗。

3、利用先進的超靈敏探測器探測銀河系暗物質波：重點是所謂的量子色動力學軸子。理論和技術的進步現在可使科學家在超輕質量範圍的整個光譜中探測這種類型的軸子暗物質存在，提供了“對宇宙起源的最早時刻以及超高能量和溫度下自然規律的一瞥”。

這個軸子，如果它存在的話，也可以幫助解釋與宇宙強力有關的特性。宇宙強力負責將大多數物質結合在一起——例如，它將原子核中的粒子結合在一起。在過去的十年裡，對傳統WIMP暗物質形式的研究靈敏度提高了1000倍。

科學家們正在建立實驗模型

伯克利實驗室和加州大學伯克利分校的研究人員將首先把重點放在液氦和砷化鎵晶體上，以尋找低質量暗物質粒子之間的相互作用。材料科學的發展也是這個故事的一部分，也考慮到探測器材料中不同類型的激發。除了液氦和砷化鎵，可以用來探測暗物質粒子的材料是多種多樣的，科學家認為目標多元化非常重要。這些實驗預計將在未來幾個月內開始，其目標是開發新技術，使它們能夠擴大規模，用於其他地點的地下深處實驗。

• 丹·麥肯錫是伯克利實驗室的資深科學家，也是加州大學伯克利分校的教授，他正在與一個團隊合作，開發使用過冷液氦的低質量暗物質實驗。如圖所示，加州大學伯克利分校的實驗儀器正在組裝中。圖片：Marilyn Chung/Berkeley Lab

這些實驗將提供額外的屏蔽，使其免受來自太陽和其他來源粒子“噪音”的自然衝擊。麥肯錫正在加州大學伯克利分校進行原型實驗，液氦實驗將尋找暗物質粒子引起核反衝的任何跡象——通過這個過程，粒子相互作用會給原子核帶來輕微的震動，研究人員希望可以放大並探測到這種震動。其中一個實驗試圖測量暗物質相互作用產生的激發態，這些激發態會導致單個氦原子的可測量蒸發，如果暗物質粒子(在液氦上)散射，就會得到一團激發。

可以在月球表面得到數百萬個激發態——會得到一個很大的熱信號。液氦中的原子和砷化鎵晶體性質允許它們在粒子相互作用中發光或“閃爍”。研究人員將首先使用更傳統的光探測器，即光電倍增管，然後轉向更靈敏的下一代探測器。基本上，明年科學家將研究光信號和熱信號，熱和光的比例會讓我們知道每個事件是什麼。這些早期研究將決定所測試的技術是否能夠有效地在其他提供低噪聲環境場所進行低質量暗物質探測，這將使我們能夠探測到更低的能量閾值。

新技術帶來的新想法

研究還指出了尋找低質量暗物質的各種其他方法。有大量不同、很酷的技術，甚至超出了目前所述那些使用或提出不同方法來尋找低質量暗物質的技術。其中一些依賴於光的單個粒子，即光子的測量，而另一些則依賴於單個原子核或電子發出的信號，或聲子原子中非常輕微的集體振動。該研究並沒有對現有提議進行排名，而是打算“將科學論證與可能性和實用性結合起來”。物理學是可能性的藝術，暗物質探測我們有動力，因為我們有想法，我們有技術，這就是人類的智慧和令人興奮之處！

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