寻找“隐藏的光子”

——欧洲科学家设计新的搜索暗物质实验

来源:科技日报 2014-10-16 陈丹

  以前是一个宇宙射线观测站的原型,现在变身成为科学家用来搜寻暗物质的工具——德国科学家与欧洲其他研究机构合作,准备用一面巨大的球形金属镜来寻找“隐藏的光子(hidden photons)”。这些迄今为止尚未被人类看见过的奇异光子是普通光子的表兄弟,科学家认为它们也属于暗物质。

目标:隐藏的光子

  宇宙中大约85%物质都是看不见的神秘暗物质。大部分暗物质实验都在试图探测超对称理论预言的弱相互作用大质量粒子(WIMPs),它们只通过弱核力和重力与其他物质发生相互作用,是暗物质最有希望的候选者。WIMP探测器通常都位于地下深处,其捕捉目标就是假定粒子与原子核之间碰撞产生的微弱能量。然而,从首次开展这类实验至今,大约20多年过去了,还没有一个弱相互作用大质量粒子被明确地探测到。

  而隐藏的光子是由粒子物理学标准模型的一些扩展理论预测的。不同于弱相互作用大质量粒子,它们与普通物质会相互发生电磁作用。隐藏的光子拥有一个非常小的质量,根据预测,它们也会通过一个类似于中微子振荡的过程转变为普通光子。观察这种振荡需要依靠对极微弱的电磁信号非常敏感的探测器,虽然实验很困难,但已经有几个项目建成了或正在酝酿中。

“过去几年来,(科学家)对隐藏的光子的兴趣与日俱增。”加州大学欧文分校的乔纳森•冯说,部分原因在于,搜索其他的暗物质候选者的实验都“一无所获”。物理学家们也意识到,可以尝试建立许多不同种类的实验来探测隐藏的光子。

  德国电子同步加速器研究所的巴贝特•多布里奇就是其中的一员。

工具:巨大的球形金属镜

  据《物理世界》杂志网站10月13日报道,多布里奇和他在研究所的同事正与来自卡尔斯鲁厄理工学院和欧洲其他一些机构的同行合作,使用一个球形金属镜的一部分,来寻找隐藏的光子。

  这一想法是由德国物理学家在2012年发表的一篇名为《用碟形天线搜寻飘渺的冷暗物质》的论文中提出的。该方案建立在隐藏的光子会与电子互动——尽管这种互动有气无力——的基础上,当这些光子撞击一个导体时,就会导致其组成电子发生振荡,振荡产生的普通光子会与导体表面呈直角被发射出来。

  球面镜是探测这种光的理想工具,因为发射出的光子将集中在球体的中心,而任何背景光都会被镜面反弹回去,并穿过位于球体表面和中心之间的焦点。放置在球体中心的接收装置如果能够调谐到与暗物质产生的光子相同频率(频率与进入的隐藏光子的质量有关)的话,就会将这些光子搜集起来,同时杂散电磁波则被尽可能地屏蔽在镜子和接收器之外。

  幸运的是,多布里奇的团队就有这样一面现成的理想镜子——位于卡尔斯鲁厄理工学院、建造皮埃尔•奥格天文台时用于测试的一个13平方米的铝镜。这面铝镜的36个组成部分都经过调节,以使聚焦波的光点直径最小化。他们还在开展实验的屏蔽室中测量了背景辐射。而接收器的初始配置最有可能是一组用于测量可见光的低噪声光电倍增管,对应于质量约为1电子伏的隐藏光子;还有一个选择则是千兆赫兹辐射接收器,对应的是质量小于0.001电子伏的隐藏光子,但这种接收器需要更严密的屏蔽。

优势:探测频率范围更广

  多布里奇团队的实验暂时命名为FUNK,但他们不是第一个寻找隐藏的光子的团队。

  自2011年以来,欧洲核子研究中心共振WISP搜寻项目就一直在运行,隐藏的光子和其他低质量暗物质粒子如轴子,都是他们的寻找目标。此外还有华盛顿大学的轴子暗物质实验,虽然正如其名称所暗示的,该设施的主要任务是探测轴子,但它同样可以探测是否存在相互作用极其微弱的隐藏的光子。

  多布里奇表示,与竞争对手相比,FUNK项目的优势在于,它可以在相当广泛的频率跨度范围内工作——至于有多广,这取决于适当的电磁探测器以及铝镜的性能。

  欧核中心的弗里茨•卡斯珀称赞FUNK的设计“非常漂亮”,但他担心在实践中屏蔽电磁对镜子的干扰将会很难。“细节决定成败。”他说。他也奇怪,为什么多布里奇的团队不“直接”利用射电望远镜寻找射频辐射,射电望远镜的碟形天线直径可达百米,可他们却选择了一面更小的镜子。对此,多布里奇指出,就光学测量而言,他们的镜子是一个很不错的选择。

 

2014年10月16日 14:27:51  清华新闻网

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