用“收音机”捕捉暗物质

研究人员在量子力学中使用了“波粒二象性”这个奇怪的概念，希望找到暗物质发射的波。

研究人员正在测试一种“收音机”的原型，这种收音机可以让他们听到神秘暗物质粒子的旋律。

暗物质是一种看不见的物质，它在宇宙中的扩散是普通物质的五倍。根据理论，每秒钟有数十亿暗物质粒子穿过地球。它们只能通过重力与普通物质微弱地相互作用，所以我们很难注意到它们。

到目前为止，大多数研究人员都集中在寻找暗物质粒子上。但是利用暗物质无线电，研究人员希望找到暗物质发出的波。

另一种方式

大型地下探测器需要用于直接探测实验，以发现暗物质粒子。研究人员希望捕捉暗物质粒子与探测器粒子碰撞的信号。然而，只有当暗物质粒子足够重，足以在碰撞中产生足够的能量时，这种信号才会出现。

“如果暗物质粒子非常轻，我们更有可能以波的形式而不是粒子的形式探测到它们，”卡弗利粒子天体物理学和宇宙学研究所的理论物理学家彼得·格雷厄姆说，“我们的设备将把研究推向另一个方向。”

暗物质无线电在量子力学中使用了一个叫做波粒二象性的奇怪概念:单个粒子可以表现出波的特征。

以光子为例:这是一种没有质量的基本粒子，可以传递电磁相互作用。光子流可以形成我们所说的光，它和无线电波一样，本质上是电磁波。

暗物质无线电将寻找暗物质粒子的两个候选者。它可以寻找暗光子，暗光子是虚光子的亲戚，质量很小。探测器也可以用来寻找轴子。科学家认为，这种粒子可以由光产生，并在磁场中转化为光。

斯坦福大学实验小组的研究生萨普塔什·乔德里说:“寻找暗光子是一个全新的领域，还没有被探索过。”。"至于轴子，暗物质射电可以填补现有实验的研究空白."

拦截暗物质共振信号

普通收音机通过天线接收无线电波，并将它们转换成声音。通过调整电路，听众可以选择一个无线电台，电路中的电流可以以特定的频率振荡。如果电路的振荡频率与无线电台的振荡频率相同，并且发生共振，收听者可以接收广播。

暗物质无线电也以同样的方式工作。它的核心是一个可以调节谐振频率的电路。如果装置的频率被调整到与暗物质粒子波相同的频率，电路就会共振。科学家可以测量共振频率并揭示暗物质粒子的质量。

这个实验的想法是扫描频率，慢慢调整设备通过不同的频率，就像调整收音机时把旋钮从一端转到另一端一样。

暗物质波的电信号应该很弱。因此，格雷厄姆寻求KIPAC的另一位研究员肯特·欧文的帮助。欧文的团队正在开发一种被称为超导量子干涉装置(SQUIDs)的高灵敏度磁力计，这种磁力计可以与极低噪声放大器相匹配，以探测潜在的信号。

暗物质无线电放在2mm厚的超导铌保护层中。当放置在下面的蓝色热真空瓶中，用液氦冷却时，这种保护层会阻挡来自外界的干扰，如无线电台，但它很容易被暗物质穿透。(照片来源:dawnahamer/slac)

在最终设计中，暗物质无线电将寻找质量在1万亿分之一电子伏特(1电子伏特等于1个质子质量的10亿分之一)之间的粒子。但问题是这个间隔覆盖了从千赫到千兆赫的频率范围——也就是无线广播的频率。

"屏蔽干扰无线电波是一件非常重要和具有挑战性的事情."欧文说，“事实上，我们需要几米厚的铜层来实现屏蔽。幸运的是，我们也可以使用薄的超导金属层来达到同样的效果。”

暗物质无线电的一个优点是它不需要屏蔽宇宙射线。对暗物质粒子的直接搜索必须在地下深处进行，以屏蔽宇宙中的粒子，而暗物质无线电可以在大学的地下室工作。

研究人员目前正在斯坦福大学测试一个小型样机，它将扫描一个相对较窄的频率范围。他们的最终计划是分别在斯坦福和SLAC国家加速器实验室运行两个独立的全尺寸仪器。

“这是一个令人兴奋的新领域，”博士后研究员兼KIPAC项目组成员阿伦·菲普斯说。“我们可以用相对较低的预算和低风险的设备尝试一种新的检测方法，这非常好。”

暗物质电台的主持人已经迈出了第一步，并计划在未来几年进一步研究暗物质。你也可以调整暗物质通道的频率，继续收听未来的实验结果。