研究人员开发了一种直接探测暗物质的新策略，暗物质被认为占宇宙中的大部分物质。

研究人员表示，该策略旨在检测暗物质粒子与一桶超流氦之间的相互作用，与迄今为止进行的任何大规模实验相比，它对质量范围内的粒子的敏感度要低得多。

“迄今为止，大多数大规模暗物质搜索都在寻找质量大约是质子质量 10 到 10,000 倍的粒子，”共同作者、布朗大学的物理学家德里克·斯坦 (Derek Stein) 说。

“低于 10 个质子质量，这些实验开始失去敏感性。我们想要做的是将质量的灵敏度降低三到四个数量级，并探索更轻的暗物质粒子的可能性，”斯坦说。

寻找暗物质

虽然还没有被直接探测到，但物理学家们相当肯定暗物质一定以某种形式存在。星系旋转的方式和光线在宇宙中传播时弯曲的程度表明有某种看不见的东西在抛掷它的引力。

暗物质本质的主要观点是它是某种粒子，尽管很少与普通物质相互作用。但是没有人非常确定暗物质粒子的特性可能是什么，因为还没有人记录过其中一种罕见的相互作用。

Stein 说，有充分的理由在迄今为止大多数暗物质实验所关注的质量范围内进行搜索。在那个质量范围内的粒子会束缚很多松散的理论结果。例如，超对称理论——我们知道和喜爱的所有常见粒子都隐藏着伙伴粒子的想法——预测了数百个质子质量的暗物质候选者。

但是到目前为止，这些粒子在实验中没有出现，这让一些物理学家开始思考如何在别处寻找。这导致理论家提出模型，其中暗物质的质量要低得多。

'棘手的部分'

研究人员提出的检测策略涉及一桶超流氦。这个想法是，在极少数情况下，穿过浴缸的暗物质粒子应该撞击氦原子核。

这种碰撞会产生声子和旋转子——与声波大致相似的微小激发——它们在超流体内部传播时不会损失动能。当这些激发到达流体表面时，它们会导致氦原子被释放到表面上方的真空空间中。这些原子的检测将是暗物质相互作用在浴缸中发生的信号。

“最后一点是棘手的部分，”合著者 Humphrey Maris 说，他曾为太阳中微子等其他粒子研究过类似的基于氦的检测方案。

低质量暗物质粒子的碰撞可能会导致只有一个原子从表面释放出来。单个原子只能携带大约 1 毫电子伏特的能量，因此几乎不可能通过任何传统方法进行检测。这种新检测方案的新颖之处在于可以放大这种微小的单原子能量特征。

它的工作原理是使用一系列带正电的小金属针在液体上方的真空空间中产生电场。当从氦表面释放的原子靠近针时，带正电的尖端会从中窃取一个电子，产生带正电的氦离子。

新产生的正离子将靠近带正电的针脚，因为同种电荷相互排斥，离子会以足够的能量飞离，标准量热仪很容易检测到，当温度变化时，该设备可以检测温度变化。粒子跑进它。

“如果我们在这些小针脚上施加 10,000 伏的电压，那么离子就会带着 10,000 伏的电压飞走，”马里斯说。“因此，正是这种电离特征为我们提供了一种新方法来检测可能与暗物质相互作用相关的单个氦原子。”

更小质量的更高灵敏度

这种新型探测器不会是第一个使用液气桶理念的探测器。最近完成的大型地下氙气 (LUX) 实验及其继任者 LUX-ZEPLIN 都使用了氙气桶。研究人员说，使用氦气在寻找质量较低的粒子方面具有重要优势。

对于可检测到的碰撞，传入粒子和目标原子核必须具有相容的质量。如果传入粒子的质量远小于目标原子核，则任何碰撞都会导致粒子简单地弹开而不会留下痕迹。

由于 LUX 和 LZ 旨在检测质量大于质子五倍的粒子，因此它们使用了质子质量约为 100 的原子核的氙气。氦气的核质量仅为质子的四倍，这使质量更小的粒子成为更适合的目标。

研究人员说，比光目标更重要的是新方案能够仅检测从氦表面蒸发的单个原子。这种灵敏度将使该设备能够检测由质量非常小的粒子沉积在探测器中的微量能量。

研究小组认为，它的设备对低至电子质量两倍的质量敏感，比迄今为止在大规模暗物质实验中可检测到的粒子轻约 1,000 到 10,000 倍。

Stein 说，真正使这种探测器成为现实的第一步将是基础实验，以更好地了解超流氦中发生的事情的各个方面以及电离方案的精确动力学。

“从这些基本实验中，”斯坦说，“我们将为更大、更完整的暗物质实验精心设计。”

描述新探测器策略的论文发表在《物理评论快报》上。

美国国家科学基金会部分资助了这项研究。

资料来源：布朗大学