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HAYSTAC 實驗示意圖。圖片來源:Steven Burrows
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來源 University of Colorado at Boulder
翻譯 阿金
審校 戚譯引
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近一百年來,科學家不懈努力,以解開暗物質(zhì)之謎。暗物質(zhì)是一種讓人難以捉摸的物質(zhì),它遍布宇宙,并且可能構(gòu)成了宇宙大部分的質(zhì)量。但迄今為止,人們都無法在實驗中檢測到暗物質(zhì)。
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該研究成果發(fā)表在《自然》(Nature)雜志上,其核心是一種質(zhì)量極小,尚未在實驗中觀測到的粒子——軸子(axion)。根據(jù)理論,軸子的大小可能只有電子的幾十億分之一,甚至幾萬億分之一,這些粒子可能在大爆炸時大量產(chǎn)生,足以解釋暗物質(zhì)的存在。然而要找到這一潛在粒子,就好比大海撈針一樣難。
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但是或許還有一絲希望。研究人員基于耶魯大學一項名為“耶魯軸子冷暗物質(zhì)靈敏潛望鏡”(Haloscope at Yale Sensitive To Axion Cold Dark Matter,簡稱 HAYSTAC)的實驗項目,報告他們已經(jīng)提升了搜尋效率,并克服了熱動力學法則制造的障礙。該團隊成員包括 JILA 的科學家,JILA 項目是科羅拉多大學博爾德分校(University of Colorago Boulder)和美國國家標準技術(shù)研究所(National Institute of Standards and Technology,簡稱 NIST)的聯(lián)合項目。
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“我們現(xiàn)在的搜尋速度是之前所能達到的兩倍。”新論文的兩名主要作者之一 Kelly Backes 說道,她是耶魯大學的研究生。
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新方法有助于研究人員更好地分離出軸子微乎其微的信號,這些信號可能存在于自然界極小范圍的隨機噪聲中,有時稱為量子漲落(quantum fluctuation)。論文合作者、JILA 項目中 NIST 的成員 Konrad Lehnert 表示,在接下來的幾年內(nèi),團隊成功找到軸子的幾率仍然跟中彩票一樣小,但這樣的幾率以后只會越來越大。
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“一旦找到了解決量子漲落問題的辦法,之后的道路只會越來越寬闊?!盠ehnert 補充說,他還是科羅拉多大學博爾德分校物理系教授。
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HAYSTAC 由耶魯大學領導,同時也與 JILA 項目以及加州大學伯克利分校(Universtiy of California, Berkeley)合作。
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量子法則
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Daniel Palken 是新論文的共同第一作者(co-first author),他解釋說軸子蹤跡難覓,因為它質(zhì)量輕巧,既不帶電荷,也幾乎從不與其他普通物質(zhì)相互作用,但這也讓其成為理想的暗物質(zhì)候選粒子。
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Palken 解釋說:“這種粒子幾乎沒有任何易于檢測的特性?!彼?2020 年在 JILA 項目組獲得了博士學位。
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但是我們?nèi)匀挥幸痪€希望:如果軸子穿過足夠強大的磁場,那么就只有一小部分可能會轉(zhuǎn)變成光波,這便是科學家能夠檢測到的東西。研究人員已經(jīng)展開嘗試,希望在太空強磁場中發(fā)現(xiàn)類似的微弱信號。不過,HAYSTAC 實驗仍立足于地球表面,腳踏實地進行著。
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2017 年,該項目發(fā)表了第一篇研究成果,研究人員使用耶魯大學的超冷設備,制造出強大磁場,試圖檢測轉(zhuǎn)變?yōu)楣獾妮S子信號。這種搜尋并不容易??茖W家已經(jīng)預測過,軸子的理論質(zhì)量范圍極其廣泛,因而在像 HAYSTAC 這樣的實驗中,每一個軸子都能產(chǎn)生不同頻率的光信號。為了發(fā)現(xiàn)真正的粒子,研究團隊不得不在大范圍的可能結(jié)果中來回搜尋,就像調(diào)試廣播信號一樣,找出那一個信號微弱的電臺。
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“如果你不停搜尋這些真正微弱的信號,可能最終要花上幾千年的時間?!盤alken 說。
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團隊目前面臨的最大障礙正是量子力學法則本身,具體來說,就是海森堡不確定性原理(Heisenberg Uncertainty Principle),它限制了科學家在粒子觀測中所能達到的精確度。在這一研究中,該原理使得研究人員無法同時精確測量軸子產(chǎn)生的光的兩種不同特性。
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然而,HAYSTAC 團隊已經(jīng)開辟了新道路,越過那些牢不可破的量子法則。
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轉(zhuǎn)移不確定性
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關(guān)鍵技巧在于運用名為約瑟夫森參量放大器(Josephson parametric amplifier)的工具。JILA 的科學家想出辦法,用這些小型設備“壓縮”HAYSTAC 實驗獲得的光。
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Palken 解釋說,HAYSTAC 團隊不需要精確檢測兩種光波的特性,只檢測其中一種即可。而壓縮的優(yōu)勢就是將不確定性從一方變量轉(zhuǎn)移到另一方。
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“壓縮正是操控量子力學真空的好辦法,讓我們能夠完美測量一種變量,”Palken 說,“如果嘗試測量另一變量,我們獲得的精確度就會非常非常低?!?/p>
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研究人員為了測試自己的方法,在耶魯大學展開了一次試驗性實驗,在一定質(zhì)量范圍內(nèi)尋找粒子。他們最終沒有找到,但是實驗所耗費的時間比往常縮短了一半,Backes 說。
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“我們跑了 100 天的數(shù)據(jù),”她說,“而在一般情況下,我們本來需要 200 天來完成這一輪運行,所以最終節(jié)省了近 4 個月的時間,這一結(jié)果相當驚人。”
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Lehnert 補充說,團隊努力將這些邊界推得更遠,積極鉆研新方法,挖掘出那根難以搜尋的“針”。
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“在發(fā)揮這個想法的優(yōu)勢方面,我們還有很大的提升空間,”他總結(jié)道。
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原文鏈接:?
https://eurekalert.org/pub_releases/2021-02/uoca-sdn020821.php?
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