暗物质无线电项目希望可以倾听到暗物质粒子的声音

研究人员希望通过美国加州的一项超冷实验“听到”暗物质粒子。

斯坦福大学和SLAC的物理学家建造了一种奇妙的装置，他们希望能探测到暗物质。尽管他们认为能找到的理论粒子究竟是什么（是隐藏的光子或被称为轴子的小光点），仍然是个问号。

隐藏的光子被认为与普通光子非常相似，也就是光的粒子。不同之处在于它们有质量，而且与普通物质的相互作用要弱得多，因此它们具有隐蔽性。轴子是一种亚原子粒子（准确地说，是玻色子），如果能证明它的存在，就可以解决物理学家理解宇宙的一个长期问题。

暗物质似乎确实存在，因为它的引力效应几乎可以在所有星系中看到。但是，虽然暗物质可以间接地被观测到，但无论它是由什么构成的，部分还是全部，都从未被直接探测到。

上图：暗物质（DM）无线电探路者设备，去除了它的圆柱形铌外套。

暗物质的罪魁祸首不一定只有一件事；宇宙中约27%的物质是暗物质，原因可能有很多种。比较热门的候选对象包括：弱相互作用的大质量粒子（WIMP）和质量小得多的轴子、隐藏（有时称为暗）光子，以及一类称为大质量致密光晕天体（MACHOs）的天体。WIMP曾经是暗物质的先期候选粒子，但实际上，为检测WIMP而进行的大量精心设计的实验结果“几乎都一无所获”。

斯坦福大学理论物理学家彼得·格雷厄姆（Peter Graham）表示：“轴子，它总是很难解释，但有几个原因让物理学家们普遍对它兴趣盎然，其中之一是，人们预测它是出于其他原因，但后来意识到它实际上是一个很好的暗物质候选者。”

轴子是以一种洗衣粉命名的，在粒子物理标准模型中并没有描述，但它们可以解释该领域一个令人沮丧的问题：中子的一些预测特征在自然界中并不存在。（正如你所料，物理学家是奥卡姆剃刀的忠实粉丝：最简单的解决方案可能就是正确的解决方案，无需将事情过度复杂化。）但为了知道轴子是否真的触发了中子的异常行为，研究人员需要找到一个。

斯坦福大学和SLAC的物理学家、暗物质无线电的首席研究员肯特·欧文（Kent Irwin）认为：“这是用标准模型来解决这个问题的唯一真正有效的方法。撇开暗物质不谈，如果轴子不存在，这就会给标准模型带来真正的麻烦。”

上图：暗物质（DM）无线电探路者设备。

“暗物质无线电项目”正试图通过有条不紊地转动刻度盘来探测特定频率范围内隐藏的光子，对可能发出这种粒子声音的波长进行全面搜索。下一代的无线电将搜寻轴子。

就亚原子粒子而言，有些粒子很小，而另一些粒子则非常小。有些物质的质量足够大，可以相对容易地被探测到与其他物质发生碰撞，比如粒子对撞机中发生的碰撞。其他粒子的行为则难以捉摸，以至于它们作为波更容易被探测到，因为它们在空间中的弥漫性。

理论物理学家彼得·格雷厄姆表示：“轴子是如此之轻，以至于量子力学告诉你，它实际上必须在一个非常大的距离上展开。你可以把它想象成背景波，一种让你沉浸其中的背景流体。”

如果暗物质中至少有一部分是轴子或隐藏的光子，那么这些物质每秒钟都在你我之间流动。就像中微子一样，理论粒子在普通物质中无处不在，因为它们丰富，而且实际上超越了普通物质，因为它们与普通物质的相互作用非常少。尽管理论上认为轴向波是分散的，但轴向波可能在任何地方，从几英尺宽到足球场。

这就是为什么暗物质无线电可以通过寻找暗物质粒子的背景，或它们传播的特定频率来搜索暗物质粒子，类似于给定的无线电波只能在其发射的频率上被接收到。这种特殊的无线电需要屏蔽所有其他类型的波，所以，它被浸泡在冷却到略高于绝对零度的氦气杜瓦瓶中。(杜瓦瓶基本上是一个真空瓶，在这个例子中是一个大桶，用来将物质保持在一定的温度，在这个例子中是为了保持氦的低温。)

目前的暗物质无线电实验只是个原型，或称为探路者，用于更大的后续项目。它由一个由超导金属铌制成的公升体积的圆柱体组成，周围紧紧缠绕着铌丝。它看起来有点像有人在垂直的卷轴上缠绕吉他弦，而不是在水平轴上。那是探路者的感应器。如果一个隐藏的光子以探路者调谐到的频率共振通过它，磁场的变化会在装置的电感器周围产生电压。

斯坦福大学物理学家、暗物质无线电团队成员斯蒂芬·库恩斯特纳（Stephen Kuenstner）说：“零假设是，盒子里不应该有任何无线电波，除非是隐藏的光子，在这种情况下，隐藏的光子是我们对暗物质的特殊感觉。隐藏的光子可以穿过盒子，它们有一定的概率与电路相互作用，就像无线电波一样。”

上图：当DM无线电探路者被淹没在氦气中时，它就安装在这个平台上。

为了放大探路者接收到的任何信号，前面提到的组件上有一个六角的铌板屏蔽层，充当电容器。放大后的信号被传输到一个名为SQUID（超导量子干涉设备）的量子传感器，这项技术是由福特汽车公司在20世纪60年代发明的。SQUID在无线电底部活动，测量并记录任何接收到的信号。

轴子的预期质量越小，粒子就越难以捉摸，因为它与普通物质的相互作用与它的质量成正比。因此，下一代暗物质无线电变得更加敏感是很重要的。按照实验设置的方式，“刻度盘上的频率就是轴子的质量”。这些粒子的质量甚至比不上你能想到的最小的东西，比如原子或夸克。这些粒子的质量大约在万亿分之一到百万分之一电子伏特之间，而电子伏特大约是质子质量的十亿分之一。

安置探路者设备的房间看起来很平常，很像一个普通的物理实验室，除了看起来很吓人的将探路者沉入氦气中的设备，以及用链子锁在墙上以防地震的大型氦气罐。这绝对是有必要的，1989年，当6.9级的洛马·普里塔地震袭击该地区时，就连地下室墙上的灭火器都震掉了。所以，实验室在使用氦气时还是会有风险的（虽然不易燃，但氦气会取代氧气，导致窒息）。

探路者使用的氦气是气态的，保持在相对温暖的4 开尔文（换句话说，比绝对零度高4度），但下一个实验 —— 暗物质无线电50L —— 将使用液氦，冷却到比绝对零度低1度以下。如果能听到暗物质的声音就更好了。

“暗物质无线电50L”放在斯坦福汉森物理实验室一个大房间的角落里。这个房间看起来有点像威利·旺卡工厂的电视室，它有高高的天花板，许多难以捉摸的设备，而且是耀眼的白色。“暗物质无线电50L”的一边是两个6英尺高的稀释冰箱，紧靠着一个深橱柜。这两台机器被送入隔壁房间储罐中的气态氦，然后冷却成2开尔文的低温液氦。镀金铜和铝护套内的磁铁将把任何探测到的轴子转换成无线电波，供物理学家解释、分析。

人们常说，粒子物理界就像一艘战舰。需要一段时间才能转向，而且具有很大的动能。因此，尽管我们认为有很多理由相信这些类似无线电的暗物质信号（轴子信号）比弱相互作用粒子更有吸引力，但仍有很多大型实验在寻找微小的东西。

上图：水平稀释冰箱，是DM Radio-50L实验的一部分。

其他寻找轴子的实验还包括：华盛顿大学的ADMX实验、费米实验室的QISMET实验、麻省理工学院的ABRACADABRA实验，以及耶鲁大学的HAYSTAC搜索。暗物质无线电项目与其中几个类似，但它正在寻找不同范围内的轴子。与此同时，在美国和其他地方的轴子搜索组织正在限制轴子的可能质量。

暗物质无线电项目本身更应该被视为一个实验系列：该团队目前正在与美国能源部合作，进行下一个下一代实验，将在立方米中寻找轴子，因此该实验被命名为“DM Radio-m³”。在更遥远的未来，研究团队有一个名为“DM Radio-GUT”项目的抱负，这个项目将更接近地球上一些最大的物理实验的规模。

总而言之，这些实验清除了一大片最有希望的轴子质量范围。在接下来的几十年里，可以通过更大的实验来搜索轴子质量的有利区域（尽管团队可以在那之前简单地找到一个轴子），有可能彻底结束对暗物质的寻找。有了足够的倾听，我们可能会有一个全新的粒子出现在教科书中。或者可能会有无线电静默。

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