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軍工航天新聞

當(dāng)激光器用于探索暗物質(zhì)

星之球科技 來源:網(wǎng)易2021-12-21 我要評論(0 )   

來自Cardiff 大學(xué)的科學(xué)家將引力波激光探測儀用于探索暗物質(zhì)。宇宙中的奧秘總是如此神秘又令人費(fèi)解??茖W(xué)家們一直致力于宇宙中的引力波探測,而科學(xué)家們相信,現(xiàn)有的引...

來自Cardiff 大學(xué)的科學(xué)家將引力波激光探測儀用于探索暗物質(zhì)。

宇宙中的奧秘總是如此神秘又令人費(fèi)解。科學(xué)家們一直致力于宇宙中的引力波探測,而科學(xué)家們相信,現(xiàn)有的引力波技術(shù)有真正的潛力最終發(fā)現(xiàn)一種奇異的物質(zhì),甚至找到它的組成部分。

這種被稱為的暗物質(zhì)的東西,一直被認(rèn)為約占宇宙中所有物質(zhì)的85%,但從未被直接觀測到,它仍然是現(xiàn)代物理學(xué)中最大的未解之謎之一。


圖1 使用改進(jìn)的LPSD技術(shù),將頻率箱調(diào)諧到預(yù)期暗物質(zhì)線寬,從而產(chǎn)生典型的振幅譜。黑線表示振幅譜。在每個(gè)頻率單元處從相鄰單元估計(jì)噪聲譜,以產(chǎn)生局部噪聲中值(藍(lán)色)和95%置信水平(CL,綠色)。高于該置信水平的峰值(紅色)被視為暗物質(zhì)信號的候選,并進(jìn)一步分析。來源:DOI: 10.1038/s41586-021-04031-y

最近的一種理論認(rèn)為暗物質(zhì)實(shí)際上是一種稱為標(biāo)量場的物質(zhì),它的行為就像圍繞著星系(包括我們自己的銀河系)反彈的不可見波。

發(fā)表在《Nature》雜志上的一項(xiàng)研究中,由Cardiff 大學(xué)重力探索研究所的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)朝著這個(gè)目標(biāo)邁出了第一步,他們使用了被稱為激光干涉儀的儀器,首次尋找一種新的暗物質(zhì)。


圖2對于基本標(biāo)量場景中的標(biāo)量場暗物質(zhì),耦合參數(shù)Λγ和Λe作為場曼n質(zhì)量的函數(shù)的約束。

發(fā)起此次調(diào)查的Cardiff 大學(xué)重力勘探研究所的Hartmut Grote教授說:“我們意識到,我們的儀器可以用來尋找這種新型暗物質(zhì),盡管它們最初是為探測引力波而設(shè)計(jì)的。”。

在激光干涉儀中,兩束光在反射鏡之間反彈,然后在探測器上會(huì)合。由此,科學(xué)家可以非常精確地測量光束之間的不同步程度,這本身就是光束遇到任何干擾的代表。


圖3對于標(biāo)量場暗物質(zhì),如在膨脹/模量場景和弛豫暈場景中的耦合參數(shù)Λγ和Λe作為場曼n質(zhì)量的函數(shù)的約束。

激光干涉儀引力波觀測臺(LIGO)由位于美國的兩臺干涉儀組成,每臺干涉儀有兩個(gè)4公里長的臂,臂呈“L”形排列,2015年第一次用于探測引力波,此后多次用于探測引力波。

Grote于2009年至2017年擔(dān)任英國和德國在德國的GEO600探測器的首席科學(xué)家,這是另一個(gè)高靈敏度干涉儀,用于開發(fā)探測引力波所需的許多技術(shù)。


圖4 藝術(shù)家對黑洞的印象。來源:NASA

在這項(xiàng)研究中,GE0600探測器首次被用于專門尋找暗物質(zhì)。

“標(biāo)量場暗物質(zhì)波會(huì)直接穿過地球,到達(dá)儀器,但當(dāng)它們這樣做時(shí),會(huì)導(dǎo)致像鏡子這樣的物體輕微振動(dòng)?!笔紫芯繂TSander Vermeulen說,他也是Cardiff大學(xué)重力勘探研究所的成員。

“反射鏡的振動(dòng)會(huì)以暗物質(zhì)特有的方式干擾GEO600或LIGO探測器等儀器中的光束,這是我們應(yīng)該能夠檢測到的,這取決于暗物質(zhì)的確切性質(zhì)?!?/p>

盡管暗物質(zhì)從未被直接探測到,但科學(xué)家們懷疑它的存在是因?yàn)樗鼘τ钪嬷械奈矬w產(chǎn)生了引力效應(yīng)。例如,大量看不見的物質(zhì)可以解釋為什么星系會(huì)這樣旋轉(zhuǎn),以及它們最初是如何形成的。

雖然研究小組在這項(xiàng)新的研究中沒有成功地進(jìn)行任何類型的探測,但他們表示,在將這項(xiàng)技術(shù)引入暗物質(zhì)搜索方面,他們正在邁出重要的第一步,并且已經(jīng)在縮小未來研究的某些參數(shù)方面取得了進(jìn)展。

Grote教授繼續(xù)說道:“當(dāng)一種儀器最初是為了一個(gè)完全不同的目的而建造的時(shí)候,它能如此靈敏地捕捉暗物質(zhì)讓我感到驚訝?!?、

Vermeulen說:“我們已經(jīng)明確排除了一些說暗物質(zhì)具有某些性質(zhì)的理論。我們相信這些新技術(shù)具有在未來某個(gè)時(shí)候發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的真正潛力?!?/p>

來源 Direct limits for scalar field dark matter from agravitational-wave detector, Nature (2021). DOI:10.1038/s41586-021-04031-y


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