科学家用新的超灵敏探测器，以揭示不可见的宇宙

宇宙大部分由暗物质和暗能量组成，但科学家们仍然不知道这两者到底是什么。新的超灵敏探测器正在建造中，旨在发现极其罕见的粒子相互作用，最终可能揭示其本质。

科学家们在理解宇宙方面取得了显著进展，但大部分宇宙仍未被解释。大约95%的存在物质由暗物质和暗能量组成，只有5%是我们能看到和触摸到的熟悉物质。德克萨斯农工大学的实验粒子物理学家鲁帕克·马哈帕特拉教授正致力于通过制造依赖低温量子传感器的高度复杂的半导体探测器，探索这一未被发现的大多数。这些仪器被用于全球各地的实验，旨在探究现代物理学中最深奥的问题之一。

马哈帕特拉及其合作者最近在权威期刊《应用物理快报》上发表了他们的研究成果。

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理解暗物质与暗能量

暗物质和暗能量的名称来源于科学家们至今仍不了解它们的构成。暗物质构成了星系和星系团中大部分质量，在塑造其结构跨越极远距离中扮演着核心角色。暗能量指的是导致宇宙加速膨胀的现象。简单来说，暗物质负责将宇宙结构连接在一起，而暗能量则将它们分开。

尽管暗物质主导宇宙，但它们既不发出、吸收也不反射光。这使得它们极难直接观测。研究人员转而研究它们通过引力的影响，引力影响星系的形成和运动。暗能量是最大的组成部分，约占宇宙总能量的68%，暗物质约占27%。普通物质（原子、恒星、行星、气体、我们自己）：约 5%。

安装中的探测器

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在德州农工大学，马哈帕特拉的团队正在开发具有非凡灵敏度的探测器。这些设备旨在记录粒子与普通物质极少相互作用的相互作用，这些相互作用可能为暗物质的本质提供重要线索。

“挑战在于暗物质相互作用极其微弱，我们需要能够探测到可能一年一次，甚至十年一次的事件的探测器，”马哈帕特拉说。

他的团队参与了利用被称为TESSERACT的探测器进行的全球暗物质探索。“这关乎创新，”他说。“我们正在寻找方法放大之前被埋藏在噪声中的信号。”

德克萨斯农工大学是参与TESSERACT实验的少数院校之一。

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突破检测技术的极限

Mahapatra目前的工作建立在数十年推动粒子探测方法方面积累的经验之上。过去25年，他一直参与SuperCDMS实验，该实验迄今为止进行了一些最灵敏的暗物质搜索。

在2014年发表于《物理评论快报》的一项具有里程碑意义的论文中，马哈帕特拉及其同事在SuperCDMS实验中引入了电压辅助量热电离检测技术——这一突破使科学家能够研究低质量WIMPs，这是一种领先的暗物质候选。这一创新极大地扩大了实验能探测到的粒子范围。

为TESSERACT项目设计的晶圆

2022年，Mahapatra合著了另一项研究，探讨了多种寻找WIMP的方法，包括直接检测、间接检测和碰撞器搜索。研究强调了结合不同方法解决暗物质问题的重要性。

“没有单一实验能给我们所有答案，”摩诃帕特拉指出。“我们需要不同方法之间的协同效应，才能拼凑出完整的画面。”

理解暗物质超越了学术好奇心。它可能对揭示支配宇宙的基本定律至关重要。“如果我们能探测到暗物质，我们将开启物理学的新篇章，”马哈帕特拉说。“搜寻需要极其敏感的感应技术，可能带来我们今天无法想象的技术。”

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什么是WIMPs？

WIMP（弱相互作用大质量粒子）是暗物质理论上最有前景的候选者之一。这些假设粒子会通过引力和微弱的核力相互作用，这也解释了为何探测它们如此困难。它们为什么它们很重要：如果WIMPs存在，它们可以解释宇宙中缺失的质量。科学家们的搜索方式：像SuperCDMS和TESSERACT这样的实验使用冷却至接近绝对零度的超灵敏探测器，捕捉WIMP与普通物质之间的罕见相互作用。科学家面临的挑战是，WIMP可以穿过地球而不留下任何可探测信号，这意味着科学家可能需要数年的观测才检测到一个事件。