使用重力仪网络搜索隐藏在地球内部的暗物质

“房间里的大象” —搜索地球内部隐藏物质的实验装置的插图。

来自美因茨的科学家使用重力仪网络试图追踪地球内部弱相互作用的物质。

由约翰内斯古腾堡大学美因茨分校（JGU）的PRISMA +卓越集群的Dmitry Budker教授和Nataniel Figueroa教授领导的跨学科研究团队采用了一种寻找暗物质的新方法，他们对数据进行了评估。从国际地球动力学和地球潮汐服务（IGETS）的重力仪全球网络中寻找可能归因于新物质形式的先前未知的信号。到目前为止，他们的搜索还没有找到任何此类信号，但是他们已经计划在项目的下一阶段改进其方法，并与其他遵循类似计划的小组一起加入。

德米特里·布德克尔（Dmitry Budker）说：“尽管进行了各种尝试，但仍无法检测到暗物质，尽管我们知道它构成了宇宙中物质的很大一部分。”特别是，研究人员在他们最近在《欧洲物理学报》上发表的文章中概述了一种拟议的新方案。假设假想的“隐藏的内部物体”被困在地球内部靠近其中心的位置，将以特征频率来回振荡。

为了说明这一点，Budker描述了一个向地球坠落的物体。假设有一条从地球表面的一侧到另一侧的隧道通过了地球中心，则该物体将朝中心坠落，并由于重力的作用而不断加速，当到达另一侧时，它将移动再次朝向地球表面，在此过程中再次减速并最终回落。换句话说，它将以特定的频率振荡。“由于没有重力相互作用，如果没有一条通向普通物质的隧道的情况，这种情况将是不可能的。但是，相互作用非常弱的物体（例如我们正在寻找的粒子）可以在不需要隧道的情况下进行这些振荡。 ，”布德克指出。他补充说：“相反，X射线和手电筒的光线有时可以几乎不受阻碍地穿透物质。”

因此，从理论上讲，如果被困物体是由少量的某种“隐藏材料”（作者称之为“隐藏内部物体”或“ HIO”）组成的，那么这种情况只会发生，如果有的话，这种情况只会微弱，与正常物质的非引力相互作用。引力甚至导致难以捉摸的暗物质与普通物质相互作用。因此可行的是，这种潜在的HIO可能是暗物质的粒子，这些粒子被重力限制在地球内部。

总而言之，这表明了诱人的前景。“我们的想法是，有可能通过灵敏地测量由于地球表面引力引起的加速度来检测这种HIO的存在，”该论文的合著者和研究金持有人Nataniel Figueroa解释说。美因茨物理学院，负责协调PRISMA +卓越集群中与研究生培训和培养年轻研究人才有关的所有活动。“我们不需要构建自己的实验来获取这些数据，因为它已经可用并且可以公开获取。这些数据已由国际地球动力学和地球潮汐服务（IGETS）全球重力仪网络收集。“超导重力仪（SGs）分布在地球周围，可以高精度和长期稳定地连续测量时间重力波动。

研究人员在当前的论文中解释了如何使用傅立叶分析在IGETS数据集中搜索特征光谱线，这些光谱线可能指示HIO的存在，甚至可能暗物质的存在。在这种情况下，网络中的每个重力计将以HIO轨道的几何形状和重力计的位置确定的特征频率检测到微弱的周期性信号。在最初的分析中，研究人员无法找到任何证据来证明HIO，以及扩展的暗物质。但是，他们认为有可能将搜索的灵敏度提高几个数量级，例如，通过更好地了解其他地面噪声源和更高级的数据分析。另外两个研究小组目前也正在使用类似的方法来搜索地球内部的暗物质。Dmitry Budker解释说：“我们已经与同事联系，讨论未来的合作，因为该项目肯定会受益于我们的资源和想法的汇集。”

参考：胡文祥，Matthew M. Lawson，Dmitry Budker，Nataniel L. Figueroa，Derek F. Jackson Kimball，Allen P. Mills Jr.和Christian Voigt，“超导重力仪网络作为具有弱非重力耦合的物质检测器” 2020年6月，欧洲物理杂志D.DOI：
10.1140 / epjd / e2020-10069-8

跨学科研究团队包括：来自北京大学（北京）的胡文祥，是作为访问学者来到美因茨的，他研究了HIO轨道和可能的重力仪信号的理论和模型，斯德哥尔摩大学的博士后Matthew Lawson进行了数据分析。与Nataniel L. Figueroa，Derek F. Jackson Kimball一起，他是加利福尼亚州立大学东湾分校的教授，也是CASPER和GNOME实验的科学协调员，该研究旨在利用核磁共振和全球核磁共振网络检测和分析暗物质。光学磁力计；像德米特里·布德克（Dmitry Budker）一样，他参与了该项目的各个方面，教授。来自加州大学河滨分校的艾伦·米尔斯（Allen P. Mills Jr.）提出了这个想法，并参与了该项目的各个阶段，位于波茨坦的GFZ德国地球科学研究中心的克里斯蒂安·沃伊格（Christian Voigt）贡献了他在地球物理学领域的专业知识。