BREAD实验的初步结果展示了一种寻找暗物质的新方法

现代科学的一大奥秘是暗物质。我们知道暗物质的存在是由于它对宇宙中其他物体的影响，但我们从未能够直接看到它。这不是一件小事——目前，科学家认为它占宇宙总质量的85%左右。

由芝加哥大学和费米国家加速器实验室领导的一项新实验，称为轴子探测宽带反射器实验或BREAD，在发表在 《物理评论快报》上的一项研究中发布了寻找暗物质的第一批结果。虽然他们没有发现暗物质，但他们缩小了对暗物质可能位置的限制，并展示了一种独特的方法，可以以相对较小的空间和成本加快对神秘物质的搜索。

“我们对到目前为止能够做的事情感到非常兴奋，”芝加哥大学副教授David Miller教授说，他与费米实验室的Andrew Sonnenschein一起共同领导了该实验，他最初为该实验开发了概念。“这种设计有很多实际优势，我们已经在这个11-12千兆赫兹的频率上展示了迄今为止最好的灵敏度。

“这一结果是我们概念的一个里程碑，首次展示了我们方法的力量，”费米实验室博士后学者和研究主要作者Stefan Knirck说，他率先建造了探测器并进行了操作。“做这种创造性的桌面规模科学真是太好了，一个小团队可以做从建立实验到数据分析的所有事情，但仍然对现代粒子物理学产生重大影响。

“有东西在那里”

当我们环顾宇宙时，我们可以看到某种物质施加了足够的引力来拉动恒星和星系并传递光线，但没有望远镜或设备直接拾取了源头——因此得名“暗物质”。

然而，由于没有人见过暗物质，我们甚至不知道它到底是什么样子，甚至不知道在哪里寻找它。“我们非常有信心有一些东西在那里，但它可以采取很多很多形式，”米勒说。

科学家们已经绘制了几种最有可能的地点和形式选择。通常，方法是构建探测器来非常彻底地搜索一个特定区域（在本例中为一组频率），以排除它。

但一组科学家探索了一种不同的方法。他们的设计是“宽带”，这意味着它可以搜索更多的可能性，尽管精度略低。

“如果你把它想象成一个收音机，那么寻找暗物质就像调整表盘来搜索一个特定的广播电台，除了有一百万个频率需要检查，”米勒说。“我们的方法就像对100,000个广播电台进行扫描，而不是非常彻底地扫描几个。

概念验证

BREAD 检测器搜索特定的可能性子集。它旨在以所谓的“轴子”或“暗光子”的形式寻找暗物质——质量极小的粒子，在适当的情况下可以转化为可见光子。

因此，BREAD由一根金属管组成，该金属管包含一个曲面，该曲面捕获潜在的光子并将其汇集到一端的传感器。整个东西足够小，可以容纳你的手臂，这对于这些类型的实验来说是不寻常的。

在全尺寸版本中，面包将被固定在磁铁内以产生强磁场，从而增加将暗物质粒子转化为光子的机会。

然而，为了验证原理，该团队在没有磁铁的情况下进行了实验。该合作在芝加哥大学运行了大约一个月的原型设备并分析了数据。

科学家们说，结果非常有希望，在所选频率下显示出非常高的灵敏度。

自从发表在 《物理评论快报 》上的结果被接受以来，BREAD已被转移到阿贡国家实验室的重新利用的MRI磁铁中，并正在获取更多数据。它的最终归宿，在费米国家加速器实验室，将使用更强的磁铁。

“这只是我们计划进行的一系列激动人心的实验的第一步，”Sonnenschein说。“我们有很多想法可以提高轴子搜索的灵敏度。

“科学中仍然有很多悬而未决的问题，并且有巨大的空间来创造性地提出解决这些问题的新想法，”米勒说。“我认为这是这种创造性想法的一个真正标志性的例子——在这种情况下，大学的小规模科学和国家实验室的大规模科学之间有影响力的合作伙伴关系。

BREAD仪器是在费米实验室建造的，作为实验室探测器研发计划的一部分，然后在芝加哥大学运行，在那里收集了这项研究的数据。芝加哥大学博士研究生Gabe Hoshino与本科生Alex Lapuente和Mira Littmann一起领导了探测器的操作。

阿贡国家实验室维护着一个重要的磁铁设施，该设施将用于BREAD物理计划的下一阶段。其他机构，包括SLAC国家加速器实验室，劳伦斯利弗莫尔国家实验室，伊利诺伊理工学院，麻省理工学院，喷气推进实验室，华盛顿大学，加州理工学院和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校，正在与芝加哥大学和费米实验室合作研发未来版本的实验。

引文：“使用同轴碟形天线在44至52μeV范围内对暗光子暗物质进行宽带搜索的初步结果。Knirck 等人，《物理评论快报》，2024 年 3 月 28 日。

资助：美国能源部科学办公室、芝加哥大学联合工作组倡议、剑桥初级研究奖学金、卡夫利粒子天体物理和宇宙学研究所波拉特奖学金。