使用紧凑的机械谐振器寻找纯量暗物质

时间:2020-06-04 20:31 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

使用紧凑的机械谐振器寻找纯量暗物质

特拉华大学、亚利桑那大学和哈弗福德学院的研究人员最近提出了利用紧凑声学谐振器寻找纯量暗物质的想法。他们的论文发表在《物理评论快报》上,从理论上论证了机械系统在寻找暗物质方面的潜力。

“作为一个领域的理论家开始optomechanics作为一个研究生,我常常在想是不是可以使用的设备,我的实验的一些同事正在开发的传感器检测新的物理现象,“斯瓦特?辛格(manmohan Singh)的一个研究人员进行的这项研究,告诉Phys.org。“当我读到一篇关于特定类型的暗物质如何导致周期性应变信号的论文时,我把它与我之前关于探测脉冲星引力波的工作联系起来。我们最近这篇论文的目标是展示出更广泛的机械设备作为桌面暗物质传感器的前景。”

多年来,理论物理学家已经预测到粒子的存在,这些粒子不发射、反射或吸收光线,因此无法用传统的物质研究工具探测到。虽然许多研究人员试图探测这些被称为暗物质的粒子,但它们的确切性质仍然未知。

“虽然我们不知道暗物质是什么,但我们可以通过专注于理论上激发的粒子来简化搜索过程,”参与最近这项研究的另一位研究人员杰克·曼利(Jack Manley)告诉Phys.org。“我们选择寻找‘超轻’暗物质:理论上比中微子还轻的粒子。”

研究人员假设,超轻的暗物质非常轻,甚至比中微子还要轻。如果存在这样的暗物质粒子,它们的密度会非常大,以至于它们会被更好地看作是一种渗透到星系中的流体,在正常物质上产生波状扰动。

“超轻暗物质假说的动机是弦理论的情景,而且,可能解释了一些令人困惑的差异,在预测更普通的黑暗分子和暗物质在星系尺度上的分布之间,”参与研究的另一位研究员丹尼尔格林(Daniel Grin)告诉Phys.org。

在他们的研究中,辛格、曼利、格林和他们的同事们寻找了一种特殊类型的粒子,这种粒子会导致原子的大小发生振动,这种现象被称为纯量暗物质。这种振荡对单个原子来说是很小的,但在由几个原子组成的物体中可能会被放大。与这种振动同步自然振动的物体可以进一步放大这种效果,就像乐器一样。

“我们工作的一个关键因素是识别一类机械物体,它们以超轻暗物质的频率振动,并产生非常清晰的共振,”另一位进行这项研究的研究员达尔齐尔·威尔逊(Dalziel Wilson)告诉Phys.org。“我们打算在一个非常安静的低温环境中使用光作为麦克风来收听这些设备。”

研究人员希望使用超流氦或单晶材料制成的声学紧凑型谐振器来寻找纯量暗物质候选者。他们的理论预测表明,这些共振器可以进入之前未探测到的参数空间的一大部分。

总的来说,辛格、曼利、格林、威尔逊和他们的同事最近进行的研究强调了先进的cm级机械系统在探测之前未探测区域的暗物质方面的潜力,单个粒子的质量从10-48公斤到10-42公斤不等。在未来,这些共振器将在寻找暗物质的过程中发挥关键作用,特别是在超光条件下。

辛格说:“通过促进量子光学和高能物理领域的合作(就像我们让粒子物理学家丹尼尔·格林参与进来一样),我们可以更好地相互理解暗物质新型探测器的动机和局限性。”

暗光子,理论上与光子相似的粒子,是最受欢迎的暗物质矢量候选者之一。虽然这些粒子以前从未被观测到,但现在已经有了大量关于它们的理论。

在他们未来的研究中,研究人员希望使用紧凑型谐振器来寻找暗光子。他们的初步计算表明,这些机械装置可以为暗光子与正常物质的耦合强度设定新的界限,但这只能通过实验研究来证实。

“我们目前正在设计一个寻找矢量暗物质的实验,它与原子的位置而不是大小配对,”威尔逊说。“一个简单的弦或鼓一样的机械谐振器会对这种震动很敏感。有趣的是,在腔光学力学领域,测量厘米级纳米弦和膜的量子化运动的努力,可能已经对这种暗物质的存在设置了新的限制。”

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