“隐藏的”光子可以揭示神秘的暗物质
相互连接的粉红色细丝在深蓝色背景下形成蜘蛛网图案。星系间伸展的宇宙网中暗物质细丝的可视化。(图片鸣谢:雄鹰计划)
（神秘的地球uux.cn）据美国太空网（罗伯特·李）：一种新方法可以帮助科学家们揭示宇宙中最神秘的物质，方法是缩小对特定暗物质候选物——隐藏的“暗光子”的搜索范围。
暗物质约占宇宙物质含量的85%,但由于它不与光相互作用或相互作用非常微弱，所以实际上它是不可见的。暗物质似乎没有电磁相互作用的事实意味着科学家知道它不可能由构成恒星、行星和我们身体的“正常”物质的原子组成。
暗物质的神秘对科学家来说是一个如此紧迫的问题，因为这意味着我们看到的物质只占宇宙中物质的15%，不包括能量。这导致了对潜在暗物质候选者的研究，例如所谓的“隐藏”或“暗”光子。
这些暗光子将不同于普通光子，普通光子是组成光的无质量粒子，因为暗光子理论上具有质量。然而，暗光子的质量很小，大约比一个电子的质量小20个数量级。正是这种超轻的性质使得暗光子成为暗物质的一个很好的候选者，也使得它们难以被探测到。
暗光子最初被认为是暗物质的候选者，因为从理论上讲，它们与普通光子的相互作用很弱，这意味着它们可能在加热早期宇宙中发挥了作用。这一行为将解释为什么宇宙网，一个宇宙中连接星系的大规模结构，比哈勃太空望远镜观测到的预测更热。
现在，来自加州理工学院(Caltech)的研究人员提出了一种新的暗光子探测方法。虽然这种新策略尚未发现任何假设的粒子，但它对它们的特征进行了限制，这将有助于未来的搜索。
“隐藏光子暗物质实验的灵敏度取决于暗物质信号与你能探测到的最小信号相比的强度，”团队成员，牛津大学物理系的研究员Nikita Klimovich告诉Phys.org。
“对于隐藏光子搜索，暗物质信号的幅度与所用金属盘的面积成比例，而最小可检测信号水平在很大程度上取决于用于读取天线的放大器的噪声水平(干扰)，”克利莫维奇补充道。
一次超酷的暗物质搜寻
该团队暗光子搜索的灵感来自之前一项名为SHUKET实验的寻找隐藏暗物质的尝试，该实验使用了电磁望远镜。
“激发这项工作的先前研究，如SHUKET实验，通常旨在通过使用一个非常大的碟形天线来最大化信号强度，同时使用他们可以获得的最好的商业低噪声放大器，”Klimovich解释说。
然而，该团队在新的研究中采取了不同的方法，使用量子限制放大器而不是现成的放大器，并在令人难以置信的低温下进行暗光子搜寻。他们在零下459华氏度(零下272.9摄氏度)到零下459.6682华氏度(零下273.149摄氏度)之间的温度下进行搜索，这比理论上可能的最低温度——绝对零度——只高出几分之一度。
虽然与使用现成技术的其他实验相比，这使科学家能够显著降低他们可以检测到的最小信号水平，但它也有一个主要缺点。科学家们用来冷却他们仪器的低温恒温器装置的小真空绝缘环境严重限制了他们在研究中可以使用的球形金属盘的大小。
尽管这意味着比SHUKET和其他暗物质搜寻实验探测到的信号低得多，但该团队希望这一劣势可以通过他们收集的测量结果的灵敏度增加来抵消。
“如果存在一个隐藏的光子，其质量对应于我们敏感的频率范围，那么与参考相比，我们应该会看到一个小的多余能量块来自碟形天线，”克利莫维奇说。“因为我们没有看到这样的信号，所以我们可以根据我们能够检测到的最小信号水平，为这样一个隐藏的光子粒子与电磁场的耦合设置一个新的上限。”
虽然暗光子的信号没有出现在团队的测量中，但科学家们采取的方法对理论上的隐藏光子提出了严格的新限制。随着寻找暗物质候选者的继续，这些限制和这种新方法最终可能在发现暗光子方面发挥作用，从而解决暗物质之谜。
“除了对探测设置的新限制，我们还展示了一种未来隐藏光子实验的非常可行的方法，”克利莫维奇总结道。
该小组的研究发表在上个月的《物理评论快报》上。
