研究人员奖励$3.7M用于建造下一代光环镜以寻找暗物质

由加州大学伯克利分校核工程教授卡尔·范·比伯（Karl van Bibber）领导的一组研究人员来自近十几个机构，已获得3.7M美元的奖励，以继续寻找难以捉摸的轴子，这种粒子被认为构成了宇宙中的暗物质。

该项目是戈登和贝蒂·摩尔基金会、西蒙斯基金会、阿尔弗雷德·斯隆基金会和约翰·邓普顿基金会共同资助的11个“桌面”实验之一，为期五年，价值3000万美元。这些创新实验规模虽小，但科学性很强，“旨在扩大基础物理学的前沿，同时仍然适合典型的房间大小的大学物理研究实验室。

新资助的项目“用于后膨胀轴子的等离子体光晕镜”将汇集来自加州大学伯克利分校、耶鲁大学、科罗拉多大学博尔德分校、麻省理工学院、约翰霍普金斯大学、韦尔斯利大学、亚利桑那州立大学、斯德哥尔摩大学、ITMO大学、剑桥大学和橡树岭国家实验室的研究人员。它是从数百个提案中选出的，旨在在耶鲁大学现有的16特斯拉磁铁中建立一个新的暗物质实验，称为ALPHA。

“我们将寻找宇宙中的暗物质，特别是一个候选物质 – 一种超轻的，假设的基本粒子，称为轴子，”van Bibber说。“但我们将寻找一个全新的、比以前搜索的更高的质量范围。

这笔赠款将使van Bibber的团队能够通过突破量子探测和微波技术的界限来推进暗物质研究。利用他们在多个领域的集体专业知识，研究人员将构建下一代光环镜，配备强大的超导磁体、新型超材料谐振器和量子传感技术，能够检测低至万亿分之一瓦特的信号，称为压缩真空态。

四十年前，研究人员意识到，将轴子暴露在强磁场下会导致它们以极小的概率衰变成单光子，但可能大到足以检测它们。这种转换过程可以通过微波腔来增强，微波腔的作用类似于铃铛或音叉的电磁版本。新的超材料谐振器由非常细的导线的二维阵列组成，它将在研究人员的目标频率10至20 GHz时提供这种共振，他们最初将扫描暗物质，后来，在没有发现的情况下，最高可达50至100 GHz。

暗物质由不相互作用、不吸收、不发射或不反射光的粒子组成，因此除了观察它对宇宙中其他物体的影响外，无法看到。暗物质的奥秘可以追溯到1933年，当时加州理工学院的弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）首次注意到星系在丰富的星系团中异常快速的运动，这些星系团被认为是受引力束缚的。对螺旋星系旋转速度的详细测量——比如我们自己的银河系，由维拉·鲁宾（Vera Rubin）和肯特·福特（Kent Ford）在1960年代——最终使暗物质的存在有了坚实的基础。今天，研究人员认为，宇宙中大约95%是黑暗的，由68%的暗能量和27%的暗物质组成，普通物质仅占5%。

轴子是被认为构成暗物质的亚原子粒子，非常轻，质量约为电子的万亿分之一，并且非常致密，估计为每立方厘米100万亿。但轴子的相互作用也非常弱，仅次于引力。具有讽刺意味的是，轴子的预测源于一个理论，以弥补粒子物理学标准模型中最强力理论中的一个松散结局，即中子的电偶极矩的意外缺失。

事实证明，寻找这些粒子对科学家来说具有挑战性，但van Bibber仍然保持乐观。“如果我们通过这个实验找到一个轴子，我们实际上将解决基础物理学中的两个问题，”他说。“一个是关于暗物质是什么的谜团，一个是关于暗物质的谜团。我被描述为临床乐观，我认为这是解决一个世纪历史问题的美德。

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