暗物质一项新实验旨在将幽灵般的物质转化为实际的光

一个幽灵正在我们的宇宙中出没。几十年来，这一点在天文学和宇宙学中已经众所周知。观测表明，宇宙中大约85%的物质是神秘且不可见的。这两个品质反映在它的名字中：暗物质。

多项实验旨在揭示其成分，但尽管经过数十年的探索，科学家们仍一无所获。现在，我们在美国耶鲁大学正在建设的新实验提供了一种新策略。

暗物质自古以来就存在于宇宙周围，将恒星和星系拉在一起。它看不见且微妙，似乎不与光或任何其他物质相互作用。事实上，它必须是全新的东西。

粒子物理的标准模型是不完整的，这是一个问题。我们必须寻找新的基本粒子。令人惊讶的是，标准模型的相同缺陷为它们可能隐藏的位置提供了宝贵的线索。

中子的麻烦

我们以中子为例。它与质子一起组成原子核。尽管总体上是中性的，但该理论指出它由三种称为夸克的带电粒子组成。因此，我们预计中子的某些部分带正电，而另一些部分带负电——这意味着它具有物理学家所说的电偶极矩。

然而，许多测量它的尝试都得到了相同的结果：它太小而无法被检测到。又一个鬼魂。我们不是在谈论仪器的不足，而是在谈论一个必须小于百亿分之一的参数。它是如此之小，以至于人们想知道它是否可以完全为零。

然而，在物理学中，数学上的零始终是一个强有力的陈述。70年代末，粒子物理学家RobertoPeccei和HelenQuinn(以及后来的FrankWilczek和StevenWeinberg)试图将理论和证据结合起来。

他们认为，也许参数不为零。相反，它是一个动态量，在大爆炸后慢慢失去电荷，演变成零。理论计算表明，如果这样的事件发生，它一定会留下大量轻的、鬼祟的粒子。

这些被称为“轴子”，以洗涤剂品牌命名，因为它们可以“解决”中子问题。甚至更多。如果轴子是在早期宇宙中产生的，那么它们从那时起就一直存在。最重要的是，它们的特性符合暗物质的所有预期。由于这些原因，轴子已成为暗物质最喜欢的候选粒子之一。

轴子只会与其他粒子产生微弱的相互作用。然而，这意味着他们仍然会进行一些互动。看不见的轴子甚至可以转变成普通粒子，讽刺的是，其中包括光子，即光的本质。这可能在特定情况下发生，例如在存在磁场的情况下。这对实验物理学家来说是天赐之物。

实验设计

许多实验都试图在实验室的受控环境中唤起轴子幽灵。例如，有些旨在将光转换为轴子，然后轴子在墙的另一侧重新转换为光。

目前，最灵敏的方法是使用一种称为光晕仪的设备来瞄准渗透到银河系(进而渗透到地球)的暗物质晕。它是一个浸入强磁场中的导电空腔;前者捕获我们周围的暗物质(假设它是轴子)，而后者则将其转化为光。结果是空腔内出现电磁信号，该信号以取决于轴子质量的特征频率振荡。

该系统的工作原理就像一个接收收音机。需要对其进行适当调整以拦截我们感兴趣的频率。实际上，改变腔体的尺寸以适应不同的特征频率。如果轴子和腔的频率不匹配，就像将收音机调到错误的频道一样。

不幸的是，我们要寻找的渠道无法提前预测。我们别无选择，只能扫描所有潜在的频率。这就像在白噪声的海洋中挑选一个广播电台(大海捞针)，而每次我们转动频率旋钮时，旧收音机都需要变大或变小。

然而，这些并不是唯一的挑战。宇宙学指出数十千兆赫是轴子搜索的最新、有希望的前沿。由于较高的频率需要较小的空腔，因此探索该区域需要的空腔太小而无法捕获有意义的信号量。

新的实验正在试图寻找替代途径。我们的Axion纵向等离子体光环(Alpha)实验采用了基于超材料的腔体新概念。

超材料是一种复合材料，其整体特性与其成分不同——它们不仅仅是各部分的总和。充满导电棒的空腔的特征频率就好像缩小了一百万倍，而其体积几乎没有变化。这正是我们所需要的。此外，这些杆还提供了一个内置的、易于调节的调谐系统。

我们目前正在构建该设置，几年后即可准备好获取数据。该技术前景广阔。它的发展是固态物理学家、电气工程师、粒子物理学家甚至数学家之间合作的结果。

尽管轴子如此难以捉摸，但它正在推动任何幽灵都无法夺走的进步。