品質更小：弱相互作用重粒子可能不是重量級粒子

美國科學家提出了一種新的探測器，這種探測器對低品質的暗物質粒子很敏感，就目前的實驗而言，這種粒子太輕了無法檢測。該裝置以超流體氦-4為核心，通過與弱相互作用重粒子（WIMPs）的碰撞，利用場電離發現從超流體表面噴射出的單個氦離子。

自20世紀初以來，物理學家們通過恆星和星系的速度比理論值高得多推斷出暗物質的存在，而對引力波的觀測則排除了一些其他導致恆星和星系轉速過快的假說，從而進一步證明了暗物質的存在。

儘管在世界範圍內進行了數十次實驗合作，暗物質粒子仍沒有被直接探測到，但弱相互作用重粒子（WIMPs）仍然是大多數物理學家青睞的候選暗物質粒子。

未經探索的領域

迄今為止進行的暗物質調查主要集中在品質較大的粒子上，對於品質小於10MeV/c2（約為質子品質的10倍）的粒子相對不敏感。

一些理論指出弱相互作用重粒子的品質低於這個值，所以為了填補這個差距，美國布朗大學的研究人員漢弗萊·馬里斯，喬治·賽德爾和德里克·斯坦構思了一個探測器模型，可以將能探測到的品質下限提升三到四個數量級。

該團隊決定使用4He作為探測器品質，因為它在每次碰撞中相比重於它的目標能夠吸收更多的能量，並且它較低的內部放射效能將假陽性結果降至最低。當暗物質粒子與目標相互作用時，反衝的氦原子有望觸發聲子和旋子，這就是準粒子激發態，在超流體4He中這些激發態的粒子可以在沒有散射的作用下傳播。當這些處於激發態的粒子到達超流體表面時，氦原子就會被量子蒸發排除。

十年前，馬里斯，賽爾德和他們在布朗大學的同事們為HERON中微子探測器開發了類似的技術。在那個實驗中，蒸發的氦原子沉積於懸浮在超流體上方的矽晶片量熱計上，導致溫度顯著升高。“如果大量的能量沉積在液體中，從而產生許多旋子和原子，這種方法就有很好的效果”Maris解釋說，“但這種方法不適用於檢測少量原子，如果能量沉積是由品質為1兆電子伏的暗物質粒子造成的，那麼這些原子將被蒸發”。

單原子的敏感性

這種新方法的新奇之處在於它對單個原子的敏感性。這讓能檢測到的最小轉移動能（暗物質碰撞傳遞給氦原子核的能量）等於氦原子對液體的結合能。由於現有的大量程的熱量計對如此微小的能量不敏感因此只有在第一次顯著加速時才能檢測到低速噴出的單個氦原子。

布朗大學研究小組給出的方法是讓蒸發的氦原子通過帶正電的金屬尖端陣列，區域性的強電場讓氦原子發生電離，產生的正離子在電流熱量計可監測到的能量範圍內加速向陰極移動。

“增加的場電離揭示了探測氦中能量沉積的可能性，與我們之前的工作相比，氦的能量沉積要小大約1萬倍。這將讓我們有可能探測到品質範圍遠低於之前能探測到的暗物質粒子，”馬里斯告訴physicsworld。假定暗物質分佈的標準暈模型——星系被單一型別的WIMPs（弱相互作用重粒子）均勻滲透，而且粒子的最大速度是該星系的逃逸速度，研究人員希望這種單原子敏感性可達成的效果為能夠檢測到的暗物質顆粒品質為0.6MeV/c2 或小於質子品質的千分之一。

該小組還提出了一種獲得更大靈敏度的解決方案，利用固態晶體靶代替氦作為探測器的品質，該晶體靶也容易受到碰撞WIMPs產生的聲子的影響。覆蓋晶體的氦膜將表現出相同的激發誘導的量子蒸發效應，但聲子的能量閾值卻更低。通過在超純靶晶體上襯幾層銫（與4He的結合能力特別弱）可以使氦原子薄膜進一步將WIMP品質靈敏度降低幾個數量級。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. physicsworld- Marric Stephens-臣醉