暗物质究竟要怎么找？科学家再次构思出寻找暗物质的新方式

自上世纪80年代以来，为了寻找构成暗物质的粒子，研究人员一直在进行实验。暗物质是一种遍布银河系和宇宙的不可见物质，由于不可见所以被称为暗物质，它构成了我们宇宙中超过80%的物质。科学家们已经多次证明暗物质会通过引力影响普通物质。科学家们知道暗物质就在那，但不知道它是什么。

因此，在理论物理学教授Kathryn Zurek的带领下，加州理工学院的研究人员重新研究新的想法。他们一直在研究暗物质由“隐区”粒子("hidden sector" particles)组成的可能性，这些粒子比之前提出的粒子要更轻，理论上可以通过小型地下桌面设备被发现。相比之下，科学家们目前正在寻找被称为弱相互作用大质量粒子(WIMPs)，这种暗物质候选粒子要更重。他们使用大型实验来寻找WIMPs，比如在意大利的一个地下7万加仑水箱中安装的XENON。

Zurek在十多年前首次提出了隐区粒子，在粒子物理学中，隐区(hidden sector)，也被称为“暗区”(dark sector)，是尚未观测到的量子场及其相应的假设粒子的假想集合。Zurek说：“暗物质总是穿过我们的身体，即使在这个房间里也不例外。当我们绕着星系中心移动时，这种稳定的暗物质风通常会被忽视。但我们仍然可以利用这种暗物质来源，并且设计新的方法来寻找暗物质风和探测器之间的罕见相互作用。”

在《物理评论快报》(Physical Review Letters)接受发表的一篇新论文中，物理学家们概述了如何通过一种被称为磁振子(magnon)的准粒子来探测较轻的暗物质粒子。准粒子是一种突现现象，当固体表现得好像含有弱相互作用的粒子时，就会出现准粒子。而磁振子是电子自旋(它的作用类似于小磁铁)被集体激发的一种准粒子。在研究人员的桌面实验想法中，研究人员将会用一种磁性晶体材料来寻找由暗物质产生的激发磁振子迹象。

加州理工学院的博士后、研究作者Zhengkang (Kevin)表示“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会变得非常困难。”但是，根据许多良好的模型，特别是那些涉及隐区的模型，暗物质粒子可以与电子的自旋偶联，这样的话一旦它们击中材料，它们将会诱导自旋激发，或称磁振子。如果我们通过转移到地下的冷却设备来降低背景噪音，我们就有望探测到仅由暗物质而非普通物质产生的磁振子。”

这样的实验目前还只停留在理论上的，但最终可能会使用埋在地下的小型设备来进行，比如在矿井中，这样来自其他粒子(比如宇宙射线中的粒子)的外部影响就可以降到最小。

这些桌面实验中发现暗物质的一个迹象就是信号会随着时间的变化而变化。这是因为用于检测暗物质的磁晶体可以是各向异性的，这意味着按照原子自然排列的方式，当暗物质从特定的方向与原子相互作用的时候它们的相互作用会更加强烈。

Zhang说：“当地球穿过银河系的暗物质晕时，它会感觉到暗物质风从行星运动的方向吹过来。一个固定在地球上某个位置的探测器会随着行星旋转，所以暗物质风在一天的不同时间点上会从不同方向撞击它，有时从上方，有时从侧面。”

“例如，在白天，当暗物质从上方而不是从侧面来的时候，你可能会有更高的探测率。如果你看到了这个现象，那将会是非常壮观的景象，也将会是你看到了暗物质的有力证据。”

对于暗物质如何显露自身，除了通过磁振子之外，研究人员还有其他想法。他们提出可以通过光子和另一种叫做声子的准粒子来探测较轻的暗物质粒子，声子是由晶格中的振动引起的。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，在Zurek于2019年加入加州理工学院之前，该团队就已经在这里工作了。研究人员说，使用多种策略来寻找暗物质具有重要意义，因为它们可以相互补充，有助于确认彼此的结果。

Zhang说：“我们正在寻找寻找暗物质的新方法，由于我们对暗物质实在是知之甚少，所有的可能性都值得我们考虑。”

编译/前瞻经济学人APP资讯组

参考资料：https://phys.org/news/2020-06-ideas-dark.html