新研究或可提高搜索暗物质的测量灵敏度

　　全球GNOME（用于搜索外来物理现象的光学磁强计全球网络，Global Network of Optical Magnetometers for Exotic Physics Searches）网络的示意图。（图片来源：Hector Masia Roig）
　　来自美因茨约翰内斯-古腾堡大学（JGU）和美因茨亥姆霍兹研究所（HIM）合作的PRISMA+Cluster of Excellence项目的国际研究小组首次公布了关于使用全球光学磁强计网络寻找暗物质的整合数据。根究科学家们的分析，暗物质场会产生具有某种特征性的信号，GNOME网络的不同站点可以通过相关检测探测到此信号。研究人员分析了来自GNOME连续运行一个月的数据，仍未得到相应结果。但他们在发表于《自然·物理学》（ Nature Physics ）杂志的汇报中指出，该测量结果可以得出关于暗物质特性的限制条件。
　　GNOME由多国合作建成，磁强计分别分布在德国、塞尔维亚、波兰、以色列、韩国、中国、澳大利亚和美国等世界各国。研究人员非常希望能通过GNOME项目推动对21世纪基础物理学中最令人激动的挑战即暗物质的搜索工作。毕竟，人们很早就知道，暗物质能够解释很多令人困惑的天文观测结果，如星系中恒星的旋转速度或宇宙背景辐射的光谱等问题。
　　（图片来源：Paul Volkmer/Unsplash）
　　超轻玻色子粒子被认为是当今最有希望的暗物质的候选者之一。其中包括类轴子粒子，简称ALP。在PRISMA+和HIM（HIM是美因茨约翰内斯-古腾堡大学和达姆施塔特的GSI亥姆霍次重粒子研究所的联合研究所）兼任的Dmitry Budker教授认为，这些轴子类粒子也可以被看作是以一定频率振荡的经典场。根据可能的理论场景，这种波色子场的一个特点是，可以形成物质的某些模式和结构。因此，暗物质的密度可以集中于诸多不同的区域，如离散分布成比星系小却远比地球大的＂（粒子）墙＂。
　　这种类轴子的＂墙＂若是抵达地球后会在磁力计中产生瞬时的特征信号，那么GNOME网络就可以逐渐探测到该信号。该研究的参与者之一Arne Wickenbrock博士认为，这些信号在某些方面存在关联性，关联关系取决于＂墙＂的移动速度以及它到达每个探测点的时间。
　　该网络由分布在全球8个国家的14个磁强计组成。其中的9个强磁计已为目前的研究提供了数据。测量原理则是基于暗物质与磁强计中原子的核自旋可以发生相互作用。当原子被一个特定频率的激光激发时，其原子核的自旋则会朝向某个特定方向。而潜在的暗物质场可以干扰这个方向，这样便可以测量到暗物质粒子产生的信号。
　　Budker小组的博士Hector Masia-Roig做了一个形象的比喻：人们可以把最初在磁强计中的原子想象成在混乱中舞蹈，当它们＂捕获到＂正确频率的激光时，就会一起旋转。而暗物质粒子可以使跳舞的原子失去平衡。这种扰动可以被精确地测量到。磁强计网络在之中扮演着十分重要的角色：当一定范围的暗物质墙穿过地球时，地球上所有探测点中＂跳舞＂原子则都会逐渐受到干扰。比如，网络中其中一个站点位于美因茨的亥姆霍兹研究所的一个实验室里。Hector Masia-Roig指出：＂只有当我们匹配了所有站点的信号后，才能评估是什么触发了干扰。＂对于一幅由跳舞的＂原子＂构成的图像而言，比较所有站点的测量结果，我们可以判断出这是一个＂勇敢的舞者＂的出挑还是源于暗物质＂墙＂的干扰。
　　磁强计可测量行星磁场。（图片来源：Wikipedia）
　　在现阶段的研究中，研究小组分析了GNOME连续运行一个月的数据。结果发现，在从一个飞电子伏特（feV）到100,000feV的调查范围内没有出现统计学意义上的信号。相反，对比以往的结果，研究人员则可以缩小发现该信号的理论范围。即使正如另一位博士生Joseph Smiga所言，＂尽管我们还不能用全球环形搜索来探测这样的区域暗物质‘墙’＂，但这对于探测离散暗物质＂墙＂的方案而言则是一个重要的结果。
　　未来GNOME的合作工作将集中于改进磁力计性能以及数据分析，特别是让其运行变得更加连续和稳定。这一点对于持续可靠地搜索时间超过一小时的信号来说至关重要。此外，人们将把磁强计中的碱原子替代为惰性气体原子。研究人员预计这将使未来在搜索暗物质方面的测量灵敏度大大增加。
　　翻译：范嘉豪
　　审校：董子晨曦
　　引进来源：美因茨大学（Universitaet Mainz）
　　本文来自：中国数字科技馆