暗物質(zhì)實驗沒有發(fā)現(xiàn)軸的證據(jù)

來自麻省理工學(xué)院和其他地方的物理學(xué)家進行了第一次新的實驗來檢測軸 - 假設(shè)的粒子被預(yù)測為宇宙中最輕的粒子之一。如果它們存在，那么斧頭幾乎是不可見的，但又是不可避免的; 它們可以以暗物質(zhì)的形式構(gòu)成宇宙質(zhì)量的近85%。

軸線特別不尋常，因為它們有望在一定程度上改變電力和磁力的規(guī)則。在“ 物理評論快報”上發(fā)表的一篇論文中 ，麻省理工學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的研究小組報告說，在觀察的第一個月，該實驗未發(fā)現(xiàn)在0.31至8.3納電子伏特的質(zhì)量范圍內(nèi)存在軸的跡象。這意味著質(zhì)量范圍內(nèi)的軸，相當(dāng)于質(zhì)子質(zhì)量的大約一個數(shù)量級，或者不存在，或者它們對電和磁的影響比以前認為的要小。

“這是第一次有人直接看到這個空間，”該實驗的首席研究員，麻省理工學(xué)院物理學(xué)教授Jerrold R. Zacharias職業(yè)發(fā)展助理教授Lindley Winslow說。“我們很高興我們現(xiàn)在可以說，'我們有辦法看到這里，我們知道如何做得更好!'”

溫斯洛的麻省理工學(xué)院合著者包括第一作者Jonathan Ouellet，Chiara Salemi，Zachary Bogorad，Janet Conrad，Joseph Formaggio，Joseph Minervini，Alexey Radovinsky，Jesse Thaler和Daniel Winklehner，以及其他八所院校的研究人員。

Magnetars和munchkins

雖然他們被認為無處不在，但預(yù)計軸心幾乎就像鬼一樣，只與宇宙中的其他物質(zhì)發(fā)生微小的相互作用。

“作為暗物質(zhì)，它們不應(yīng)該影響你的日常生活，”溫斯洛說。“但他們被認為會影響宇宙學(xué)上的事物，比如宇宙的膨脹和我們在夜空中看到的星系的形成。”

由于它們與電磁學(xué)的相互作用，理論上的軸在磁化器周圍具有令人驚訝的行為 - 一種中子星可以產(chǎn)生巨大的磁場。如果存在軸，它們可以利用磁星的磁場將自身轉(zhuǎn)換成無線電波，這可以通過地球上的專用望遠鏡來檢測。

2016年，麻省理工學(xué)院的三位理論家開展了一項思想實驗，用于探測受磁力激發(fā)的軸。該實驗被稱為ABRACADABRA，用于A寬帶/共振宇宙軸檢測方法，具有放大B場環(huán)裝置，由Thaler構(gòu)思，他是物理學(xué)副教授，核科學(xué)實驗室研究員和理論物理中心，Benjamin Safdi，麻省理工學(xué)院Pappalardo研究員，前研究生Yonatan Kahn。

該團隊提出了一種小型環(huán)形磁鐵的設(shè)計，該磁鐵保持在冰箱中，溫度剛好高于絕對零度。如果沒有軸，就不應(yīng)該在甜甜圈的中心有磁場，或者像溫斯洛所說的那樣，“munchkin應(yīng)該在哪里。”然而，如果存在軸，探測器應(yīng)該“看到”中間的磁場。甜甜圈

在小組發(fā)表他們的理論設(shè)計之后，實驗主義者溫斯洛開始著手尋找實際構(gòu)建實驗的方法。

溫斯洛說：“我們想要尋找一個軸的信號，如果我們看到它，它就是真正的軸心。” “這就是這個實驗的優(yōu)雅之處。從技術(shù)上講，如果你看到這個磁場，它只能是軸，因為他們想到的特殊幾何形狀。

在甜蜜的地方

這是一項具有挑戰(zhàn)性的實驗，因為預(yù)期信號小于20 atto-Tesla。作為參考，地球的磁場是30微特斯拉，人腦波是1微微特斯拉。在構(gòu)建實驗時，溫斯洛和她的同事不得不面對兩個主要的設(shè)計挑戰(zhàn)，第一個涉及用于將整個實驗保持在超級溫度的冰箱。冰箱包括一個機械泵系統(tǒng)，其活動可能產(chǎn)生非常輕微的振動，溫斯洛擔(dān)心這可能掩蓋軸心信號。

第二個挑戰(zhàn)與環(huán)境噪聲有關(guān)，例如附近的無線電臺，整個建筑物內(nèi)的電子設(shè)備開啟和關(guān)閉，甚至計算機和電子設(shè)備上的LED燈，所有這些都可能產(chǎn)生競爭的磁場。

該團隊通過懸掛整個裝置，使用像牙線一樣薄的線來解決第一個問題。第二個問題是通過冷超導(dǎo)屏蔽和圍繞實驗外部的熱屏蔽的組合來解決的。

“我們最終可以獲取數(shù)據(jù)，并且有一個甜蜜的區(qū)域，我們高于冰箱的振動，低于可能來自鄰居的環(huán)境噪音，我們可以在那里進行實驗。”

研究人員首先進行了一系列測試，以確認實驗正在進行并準確顯示磁場。最重要的測試是注入磁場來模擬假軸，并看到實驗的探測器產(chǎn)生了預(yù)期的信號 - 表明如果真實的軸與實驗相互作用，它將被檢測到。此時實驗準備好了。

“如果您通過音頻程序獲取數(shù)據(jù)并運行它，您就可以聽到冰箱發(fā)出的聲音，”溫斯洛說。“我們還看到其他噪音在隔壁做某事的時候會打開和關(guān)閉，然后噪音消失了。當(dāng)我們看到這個最佳點時，它就會保持在一起，我們就能理解探測器是如何工作的，它會變得安靜，足以聽到軸心。“

看到了群

2018年，該團隊開展了ABRACADABRA的首次試運行，在7月至8月期間不斷取樣。在分析了這一時期的數(shù)據(jù)后，他們發(fā)現(xiàn)在0.31至8.3納米電子伏特的質(zhì)量范圍內(nèi)沒有證據(jù)表明存在超過一百億分之一的電力和磁力。

該實驗旨在檢測甚至更小質(zhì)量的軸，低至約1 femtoelectronvolts，以及大至1微電子伏特的軸。

該團隊將繼續(xù)運行當(dāng)前的實驗，這個實驗大約相當(dāng)于籃球的大小，以尋找更小更弱的軸。與此同時，溫斯洛正在研究如何將實驗擴展到緊湊型汽車的尺寸 - 尺寸可以檢測甚至更弱的軸。

“在實驗的下一階段，很有可能發(fā)現(xiàn)重大發(fā)現(xiàn)，”溫斯洛說。“激勵我們的是有可能看到會改變這個領(lǐng)域的東西。這是高風(fēng)險，高回報的物理學(xué)。“