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使用紧凑型机械谐振器搜索标量暗物质

特拉华大学,亚利桑那大学和哈弗福德学院的研究人员最近提出了使用紧凑型声谐振器搜索标量暗物质的想法。他们的论文发表在《物理评论快报》上,从理论上证明了机械系统在寻找暗物质方面的潜力。

Swati Singh表示:“作为一名光力学力学的理论家,从研究生时代开始,我经常想知道是否有可能使用我的实验同事正在开发的一些精美设备作为传感器来检测新的物理现象。”进行这项研究的研究人员中的一位告诉Phys.org。“当我阅读一篇关于某些类型的暗物质如何导致周期性应变信号的论文时,我与之前的有关探测脉冲星引力波的工作建立了联系。我们最近的论文的目的是展示许诺作为暗物质的桌面传感器的机械设备范围更广。”

多年来,理论物理学家已经预测了不发光,不反射或不吸收光的粒子的存在,因此无法使用传统的物质研究工具进行检测。尽管许多研究人员试图检测被称为暗物质的这些粒子,但其确切性质仍然未知。

参与这项最新研究的另一位研究人员杰克·曼利(Jack Manley)对Phys.org表示:“尽管我们不知道什么是暗物质,但我们可以通过关注理论上有动机的粒子来简化搜索。“我们选择寻找'超轻'暗物质:理论上比中微子轻的粒子。”

研究人员假设,超轻暗物质是极轻的,甚至比中微子还轻。如果存在这样的暗物质粒子,它们的密度将很大,以至于最好将它们视为渗透到银河系中的流体,从而对正常物质产生波状扰动。

“超轻暗物质假说是由弦理论情景所推动的,而且,这可能解释了更多平淡暗分子预测与银河尺度上暗物质分布之间的一些令人困惑的差异,”参与该研究的另一位研究者丹尼尔·格林(Daniel Grin)告诉Phys.org。

在他们的研究中,辛格,曼利,格林和他们的同事们寻找一种特定类型的粒子,该粒子导致原子的大小发生振荡,被称为标量暗物质。对于单个原子来说,这种振荡会很小,但是在由多个原子组成的物体中可能会放大。与这种振动同步自然振动的物体可能会进一步放大效果,类似于乐器。

进行这项研究的另一位研究人员达兹尔·威尔逊(Dalziel Wilson)对Phys.org表示:“我们工作的关键是确定一类以超轻暗物质的频率振动并产生非常干净的共振的机械物体。” “我们建议在一个非常安静的低温环境中使用光作为麦克风来收听这些设备。”

研究人员希望使用由超流氦或单晶材料制成的紧凑型谐振器来寻找标量暗物质候选物。他们的理论预测表明,这些谐振器可以访问以前未探究的参数空间的很大一部分。

总体而言,辛格,曼利,格林,威尔逊及其同事进行的最新研究强调,厘米级的先进机械系统具有潜力,可以检测以前未曾探索过的环境中的暗物质,单个粒子的质量范围为从10 -48公斤到10 -42公斤。因此,将来这些谐振器将在寻找暗物质,特别是在超轻状态下发挥关键作用。

辛格说:“通过促进量子光学与高能物理学界之间的合作(就像我们通过让粒子物理学家丹尼尔·格林(Daniel Grin)参与进来的那样),我们可以更好地相互理解新型暗物质探测器的动机和局限性。”

暗光子是被认为与光子在数学上相似的粒子,是最流行的矢量暗物质候选之一。尽管以前从未观察到这些粒子,但是现在有大量关于它们的理论。

在未来的研究中,研究人员希望使用紧凑型谐振器来搜索暗光子。他们的初步计算表明,这些机械装置可以为暗光子与正常物质的耦合强度设定新的界限,但这只能通过实验研究来证实。

威尔逊说:“我们目前正在设计一个搜索矢量暗物质的实验,该暗物质与原子的位置而不是原子的大小有关。” “一个简单的弦或鼓状机械谐振器将对这种振动敏感。有趣的是,在腔室光力学领域中,测量厘米级纳米线和膜的量化运动的努力可能已经对存在性设置了新的约束条件。如此暗物质。”

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