Windchime实验可以利用重力来寻找暗物质风

　　有朝一日，这可能是第一次仅使用重力直接探测暗物质
　　提议的 Windchime 暗物质探测器的工作方式有点像后院的风铃。数十亿个传感器将被吹过地球的暗物质微风的重力推动，而不是在微风中摆动的棒。
　　直接探测暗物质的秘密可能随风而逝。
　　尽管这种神秘物质与宇宙中可见物质的重量比约为 8 比 1，但科学家们仍在继续躲避它。所有实验室直接探测暗物质的尝试——只能通过其引力对恒星和星系运动的影响而间接看到——已经消失未完成。
　　这些尝试依赖于希望暗物质除了引力之外至少与普通物质有一些其他的相互作用（ SN：10/25/16）。但是，一项名为 Windchime 的拟议实验，尽管距离实现还有几十年，但将尝试一些新的东西：它将使用它可以保证感觉到的唯一力——重力——来寻找暗物质。
　　＂核心思想非常简单，＂理论物理学家丹尼尔·卡尼 (Daniel Carney) 说，他在 5 月在佛罗里达州奥兰多举行的美国物理学会原子分子和光学物理分部会议上描述了该计划。就像门廊上的风铃在嘎嘎作响当太阳系绕着银河系旋转时， 风铃探测器会尝试感知吹过地球的暗物质＂风＂。
　　如果银河系主要是一团暗物质云，正如天文测量所表明的那样，那么我们应该以每秒 200 公里左右的速度航行通过它。这会产生暗物质风，就像你把手伸到行驶中的汽车窗外时会感觉到风一样。
　　Windchime 检测器基于这样一个概念，即一组钟摆会在微风中摆动。在后院风铃的情况下，它可能是金属棒或悬挂的铃铛，在流动的空气中叮当作响。对于暗物质探测器，钟摆是由微小的、超灵敏的探测器组成的阵列，它们会受到它们通过的暗物质碎片所感受到的引力的推挤。不是空气分子从金属钟声中反弹，构成暗物质风的粒子的引力会在它吹过每边约一米的盒子中的十亿个左右的传感器时产生独特的涟漪。
　　在 Windchime 探测器（图示为小钟摆阵列）内，一个经过的暗物质粒子（红点）会通过引力拉动传感器（蓝色方块）并引起可探测的涟漪，就像风吹过后院的风铃一样。D. CARNEY等人/ PHYSICAL REVIEW D 2020
　　虽然利用重力寻找暗物质似乎是合乎逻辑的，但在科学家们一直在实验室中寻找暗物质的近 40 年里，没有人尝试过它。那是因为相对而言，重力是一种非常微弱的力，在实验中难以分离。
　　加州劳伦斯伯克利国家实验室的卡尼说：＂你正在寻找暗物质来[引起]传感器中的引力信号。＂ ＂而你只是问。. . 我能看到这个引力信号吗？当您第一次进行估算时，答案是否定的。这实际上将是非常困难的。＂
　　无论如何，这并没有阻止卡尼和一小群同事在 2020 年探索这个想法。＂在 30 年前，提出这个建议完全是疯狂的，＂他说。＂这仍然有点疯狂，但就像边缘疯狂一样。＂
　　Windchime 项目合作已经发展到包括 20 名物理学家。他们有一个由商用加速度计构建的 Windchime 原型，并正在使用它来开发软件和分析，从而产生探测器的最终版本，但这与最终设计相去甚远。卡尼估计，可能需要再过几十年才能开发出足以测量重力的传感器，即使是来自重暗物质的重力。
　　Carney 的时间表基于激光干涉引力波天文台(LIGO) 的开发，该天文台旨在寻找来自黑洞碰撞的引力涟漪 ( SN: 2/11/16 )。他说，当 LIGO 第一次被构思出来时，很明显这项技术需要改进一亿倍。数十年的发展造就了一个天文台，可以通过引力波观察天空。对于 Windchime，＂我们在同一条船上，＂他说。
　　即使在它的最终形式中，风铃也只会对大约相当于一粒细小尘埃质量的暗物质碎片敏感。这在已知粒子的光谱上是巨大的——超过质子质量的一百万万亿倍。
　　密歇根大学安娜堡分校的物理学家凯瑟琳·弗里斯说：＂在 [那个规模] 上有各种非常有趣的暗物质候选者绝对值得寻找……包括来自早期宇宙的原始黑洞。＂ Windchime 合作的一部分。她指出，黑洞缓慢蒸发，将质量泄漏回太空，这可能会在大爆炸后不久在 Windchime 可以检测到的质量上留下许多遗迹。
　　但是，如果它根本没有检测到任何东西，那么该实验仍然会从其他暗物质检测方案中脱颖而出，伊利诺伊州巴达维亚费米实验室的物理学家 Dan Hooper 说，他也与该项目无关。那是因为这将是第一个可以完全排除某些类型暗物质的实验。
　　胡珀说，即使实验结果一无所获，＂[风铃] 的惊人之处在于……独立于你对暗物质粒子的任何其他了解，它们不在这个质量范围内。＂ 通过现有的实验，未能检测到任何东西可能是由于对影响暗物质的力量的错误猜测（SN：22年 7 月 7 日）。
　　Windchime 将是唯一一个尚未想象到的实验，在该实验中，什么也看不见可以明确地告诉研究人员什么不是暗物质。不过，如果运气好的话，它可能会发现一阵微小的黑洞风，甚至是更奇特的暗物质碎片，当我们在银河系周围飞行时吹过