暗物质无线电项目希望可以倾听到暗物质粒子的声音( 二 )


目前的暗物质无线电实验只是个原型 , 或称为探路者 , 用于更大的后续项目 。 它由一个由超导金属铌制成的公升体积的圆柱体组成 , 周围紧紧缠绕着铌丝 。 它看起来有点像有人在垂直的卷轴上缠绕吉他弦 , 而不是在水平轴上 。 那是探路者的感应器 。 如果一个隐藏的光子以探路者调谐到的频率共振通过它 , 磁场的变化会在装置的电感器周围产生电压 。
斯坦福大学物理学家、暗物质无线电团队成员斯蒂芬·库恩斯特纳(Stephen Kuenstner)说:“零假设是 , 盒子里不应该有任何无线电波 , 除非是隐藏的光子 , 在这种情况下 , 隐藏的光子是我们对暗物质的特殊感觉 。 隐藏的光子可以穿过盒子 , 它们有一定的概率与电路相互作用 , 就像无线电波一样 。 ”

上图:当DM无线电探路者被淹没在氦气中时 , 它就安装在这个平台上 。
为了放大探路者接收到的任何信号 , 前面提到的组件上有一个六角的铌板屏蔽层 , 充当电容器 。 放大后的信号被传输到一个名为SQUID(超导量子干涉设备)的量子传感器 , 这项技术是由福特汽车公司在20世纪60年代发明的 。 SQUID在无线电底部活动 , 测量并记录任何接收到的信号 。
轴子的预期质量越小 , 粒子就越难以捉摸 , 因为它与普通物质的相互作用与它的质量成正比 。 因此 , 下一代暗物质无线电变得更加敏感是很重要的 。 按照实验设置的方式 , “刻度盘上的频率就是轴子的质量” 。 这些粒子的质量甚至比不上你能想到的最小的东西 , 比如原子或夸克 。 这些粒子的质量大约在万亿分之一到百万分之一电子伏特之间 , 而电子伏特大约是质子质量的十亿分之一 。
安置探路者设备的房间看起来很平常 , 很像一个普通的物理实验室 , 除了看起来很吓人的将探路者沉入氦气中的设备 , 以及用链子锁在墙上以防地震的大型氦气罐 。 这绝对是有必要的 , 1989年 , 当6.9级的洛马·普里塔地震袭击该地区时 , 就连地下室墙上的灭火器都震掉了 。 所以 , 实验室在使用氦气时还是会有风险的(虽然不易燃 , 但氦气会取代氧气 , 导致窒息) 。
探路者使用的氦气是气态的 , 保持在相对温暖的4 开尔文(换句话说 , 比绝对零度高4度) , 但下一个实验 —— 暗物质无线电50L —— 将使用液氦 , 冷却到比绝对零度低1度以下 。 如果能听到暗物质的声音就更好了 。
“暗物质无线电50L”放在斯坦福汉森物理实验室一个大房间的角落里 。 这个房间看起来有点像威利·旺卡工厂的电视室 , 它有高高的天花板 , 许多难以捉摸的设备 , 而且是耀眼的白色 。 “暗物质无线电50L”的一边是两个6英尺高的稀释冰箱 , 紧靠着一个深橱柜 。 这两台机器被送入隔壁房间储罐中的气态氦 , 然后冷却成2开尔文的低温液氦 。 镀金铜和铝护套内的磁铁将把任何探测到的轴子转换成无线电波 , 供物理学家解释、分析 。
人们常说 , 粒子物理界就像一艘战舰 。 需要一段时间才能转向 , 而且具有很大的动能 。 因此 , 尽管我们认为有很多理由相信这些类似无线电的暗物质信号(轴子信号)比弱相互作用粒子更有吸引力 , 但仍有很多大型实验在寻找微小的东西 。

上图:水平稀释冰箱 , 是DM Radio-50L实验的一部分 。
其他寻找轴子的实验还包括:华盛顿大学的ADMX实验、费米实验室的QISMET实验、麻省理工学院的ABRACADABRA实验 , 以及耶鲁大学的HAYSTAC搜索 。 暗物质无线电项目与其中几个类似 , 但它正在寻找不同范围内的轴子 。 与此同时 , 在美国和其他地方的轴子搜索组织正在限制轴子的可能质量 。
暗物质无线电项目本身更应该被视为一个实验系列:该团队目前正在与美国能源部合作 , 进行下一个下一代实验 , 将在立方米中寻找轴子 , 因此该实验被命名为“DM Radio-m3” 。 在更遥远的未来 , 研究团队有一个名为“DM Radio-GUT”项目的抱负 , 这个项目将更接近地球上一些最大的物理实验的规模 。
总而言之 , 这些实验清除了一大片最有希望的轴子质量范围 。 在接下来的几十年里 , 可以通过更大的实验来搜索轴子质量的有利区域(尽管团队可以在那之前简单地找到一个轴子) , 有可能彻底结束对暗物质的寻找 。 有了足够的倾听 , 我们可能会有一个全新的粒子出现在教科书中 。 或者可能会有无线电静默 。
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