近一個世紀以來,天文學家一直認為,宇宙中所包含的物質超過了人眼所能觀察到的物質。現在認為,宇宙品質的大約80%是由不發光或不散發能量的物質組成,科學家仍然無法直接觀察到這種物質,它們被稱為暗物質。
儘管現在有無數關於暗物質的研究和理論,但仍然沒有直接的實驗證據支援其存在。幾位物理學家已經嘗試設計出檢測宇宙中暗物質的方法,但到目前為止,所有這些方法均未成功。
在過去的幾十年中,研究人員開始懷疑如何檢測到暗物質,特別是考慮到暗物質包含的質子比質子輕得多。一種引起廣泛關注的模型是將暗物質視為在正常電磁條件下具有很小電荷的粒子。
加利福尼亞SLAC國家加速器實驗室的研究人員從該模型中汲取了靈感,最近設計出了一種新策略,該策略可以直接檢測與普通物質具有長期相互作用的輕粒子暗物質。他們提出的策略,發表在《物理評論快報》上的一篇論文中提出,該策略需要利用時變場(Time-varying field)扭曲暗物質的區域性流動,並使用遮蔽共振探測器測量這些畸變。
進行這項研究的研究人員之一阿舍·柏林(Asher Berlin)表示:“到目前為止,關於如何檢測暗物質粒子的大多數想法都依賴於試圖通過非常靈敏的探測器從暗物質散射中檢測出小的能量沉積。我和我的合作者最近意識到存在一種替代的檢測機制:與其等待暗物質通過散射在探測器中留下少量能量,不如直接操縱單個暗物質粒子的軌跡,建立干擾然後可以使用非常靈敏的共振探測器進行測量,類似於日常無線電。”
與先前研究中引入的大多數檢測暗物質的策略相反,柏林及其同事提出的新策略利用了許多單個暗物質粒子可能產生的“集體”效應,而不是源自單個暗物質粒子的效應。因此,它們的檢測方法得益於輕粒子暗物質的小品質/動量,特別是與嘗試測量探測器內暗物質散射的技術相比時,如果暗物質粒子非常輕,這通常更具挑戰性。
柏林解釋說:“我們已經發現了一種潛在的有前途的替代方法,可以檢測亞電子伏特(sub-MeV)粒子狀的暗物質,而不必依靠散射產生的能量。“在這一點上,任何新的想法,包括我們的想法,都可能為成功發現暗物質粒子開啟可能性。”
柏林及其同事在論文中從理論上將他們新設計的檢測方案應用於具有很小電荷或與光向量介體耦合的sub-MeV暗物質粒子。他們的分析表明,他們的方法可以探測10MeV到1meV以下的暗物質品質,因此有可能超越以前的理論和檢測工作。
儘管研究人員設計的策略似乎很有希望,但它仍然只是理論上的。但是,在未來幾年中,他們的工作可能會為檢測暗物質粒子的新工具的開發提供資訊,這最終將有助於確定其方法的有效性和可能的侷限性。
柏林說:“將來,我們計劃與有興趣實際製造這種探測器的實驗人員合作。我們還計劃研究與其他與正常物質具有不同相互作用的暗物質粒子的相關檢測方法。”