暗物质：十亿个小型摆锤可以检测到宇宙的缺失质量

国家标准与技术研究所（NIST）及其同事们提出了一种寻找暗物质的新方法，宇宙的神秘材料已经耗尽了几十年。暗物质占宇宙的27％;普通物质，如建立星星和行星的东西，仅占宇宙的5％。（一个称为黑能量的神秘实体，占其他68％。）

根据宇宙学家的说法，宇宙中的所有可见材料都只是漂浮在广阔的暗物质 - 颗粒中，这些颗粒是不可见的，但仍然具有质量并施加引力。暗物质的重力将提供缺失的胶水，使星系远离分开，并占据着宇宙丰富的银河挂毯的内容。

拟议的实验，其中十亿毫米尺寸的摆锤将充当暗物质传感器，是第一个仅通过与可见物质的引力相互作用来捕获暗物质。该实验将是少数人搜索暗物质颗粒的含量之一，其质量与盐纹的质量一样大，尺寸很少探索，从未通过能够记录微小引力的传感器进行研究。

暗物质，我们宇宙的隐藏的东西，令人惊奇地难以检测。为了寻找直接证据，NIST研究人员用3D阵列作为力检测器提出，这可能检测通过暗物质颗粒的引力影响。当暗物质颗粒附近悬浮摆在悬浮的摆锤附近时，摆锤应由于两个质量批次的吸引力而略微偏转。然而，这种力非常小，并且难以与导致摆锤移动的环境噪声隔离。为了更好地隔离通过粒子的偏转，NIST研究人员使用摆阵列阵列提出。环境噪声暗示每个钟摆会影响每个摆锤，导致它们独立移动。然而，通过阵列的颗粒将产生摆锤的相关偏转。因为这些运动是相关的，它们可以从背景噪声中分离，揭示颗粒向每个摆率和粒子的速度和方向或速度传递的力量。

以前的实验通过寻找隐形粒子和某些普通物质之间的非争夺相互作用的非投标迹象来寻求暗物质。搜索被称为WIMP的假设类型的暗物质（弱相互作用的大规模颗粒）是如此，这是未经看明材料超过二十年的领先候选者。物理学家寻求证据表明，当WIMPS偶尔与探测器中的化学物质碰撞时，它们会发光或踢出电荷。

研究人员以这种方式狩猎WIMPS已经上身空手或获得了不确定的结果;颗粒过于光（理论为电子和质子之间的质量范围），以通过其引力拖拽检测。

通过寻找WIMPS的最后一条腿，NIST和他们的同事的研究人员现在考虑了一种更直接的方法来寻找具有Heftier质量的暗物质颗粒，因此挥动足以被检测的重力。

“我们的提议纯粹依赖于引力耦合，我们唯一知道暗物质和普通发光物之间存在的唯一耦合，”学习共同作者丹尼尔卡尼（NIST），联合量子研究所（JQI）共同关联的理论物理学家）和大学公园马里兰大学的量子信息和计算机科学（Quicics）联合中心，以及费米国家加速器实验室。

研究人员还包括NIST，JQI和Quics的Jacob Taylor; JQI的Sohitri Ghosh;和Gordan Krnjaic的费米国家加速器实验室，计算它们的方法可以搜索大物质颗粒的最小质量约为一粒盐的一半，或大约十亿亿倍的质子。科学家们在物理审查中报告了2020年10月13日的调查结果。

暗物质，我们宇宙的隐藏的东西，令人惊奇地难以检测。为了寻找直接证据，NIST研究人员用3D阵列作为力检测器提出，这可能检测通过暗物质颗粒的引力影响。

因为实验中唯一的未知是暗物质粒子的质量，而不是如何耦合到普通物质，“如果有人建立了我们建议的实验，他们要么发现暗物质或排除所有暗物质候选人，都在广泛的广泛方面可能的群众，“卡尼说。实验对范围为约1 / 5,000毫克至几毫克的颗粒敏感。

该质量规模特别有趣，因为它涵盖所谓的刨花质量，一定量的质量仅由三个自然常数确定，并且相当于约1 / 5,000的克。

Carney，Taylor及其同事提出了两种引力暗物质实验的方案。两者都涉及微小，毫米尺寸的机械装置，其作用是具有精致敏感的重力探测器。传感器将被冷却至绝对零以上的温度，以最大限度地减少热相关的电噪声，并从宇宙射线和其他放射性源屏蔽。在一种情况下，响应于通过暗物质颗粒的捕集，在一种情况下，每个高度敏感的摆锤将略微偏转。

在最近的诺贝尔奖励胜利检测中已经采用了类似的设备（具有更大的尺寸）的引力波检测，通过爱因斯坦的重心预测的时空结构涟漪。小心悬挂的镜子，其用作摆锤，响应于传递引力波移动小于原子的长度。

在另一种策略中，研究人员建议使用由激光悬浮的磁场或珠子悬浮的球体。在该方案中，随着实验开始时，悬浮被关闭，使得球形或珠子处于自由落体。通过的暗物质粒子的重力将略微扰乱自由落体物体的路径。

“我们正在使用物体的运动作为我们的信号，”泰勒说。“这与基本上是每个粒子物理检测器的不同。”

研究人员计算出约十亿微小的机械传感器的阵列，分布在立方米上，需要从普通粒子或杂散随机电信号或“噪声”中触发传感器中的误报的真正的暗物质粒子。诸如中子的普通的亚底颗粒（通过非投入力相互作用）将在单个探测器中停止死亡。相比之下，科学家期待一个暗物质粒子，嗖嗖地嗖嗖地像一个微小的小行星一样，将在其路径中引力地摇晃每个探测器，一个接一个地。

当暗物质粒子都会导致噪音会导致敏感探测器，而不是顺序移动。作为奖励，亿次探测器的协调动作将显示暗物质颗粒在摩泽中缩放时呈现的方向。

为了制作如此多的微小传感器，该团队表明研究人员可能希望借用智能手机和汽车行业已经用于生产大量机械探测器的技术。

由于近距离探测器的敏感性，采用技术的研究人员不需要将自己限制在黑暗的一面。相同实验的较小规模版本可以检测远处地震波的弱力以及普通的亚颗粒的通过，例如中微子和单，低能量的光子（光颗粒）。

卡尼说，如果通过非营利部队赋予探测器的大量足够大的踢球，甚至可以捕获暗物质颗粒的较小实验。

“我们正在制定建造引力的暗物质探测器的雄心勃勃的目标，但是R＆D需要实现这么多其他检测和计量测量的门，”Carney说。

其他机构的研究人员已经开始使用NIST团队的蓝图进行初步实验。

参考：Daniel Carney，Sohitri Ghosh，Gordan Krnjaic和Jacob M. Taylor，2020年10月13日，D.Doi的物理评论D.doi：
10.1103 / physrevd.102.072003