暗物质实验没有发现轴的证据

来自麻省理工学院和其他地方的物理学家进行了第一次新的实验来检测轴 - 假设的粒子被预测为宇宙中最轻的粒子之一。如果它们存在,那么斧头几乎是不可见的,但又是不可避免的; 它们可以以暗物质的形式构成宇宙质量的近85%。

轴线特别不寻常,因为它们有望在一定程度上改变电力和磁力的规则。在“ 物理评论快报”上发表的一篇论文中 ,麻省理工学院领导的研究小组报告说,在观察的第一个月,该实验未发现在0.31至8.3纳电子伏特的质量范围内存在轴的迹象。这意味着质量范围内的轴,相当于质子质量的大约一个数量级,或者不存在,或者它们对电和磁的影响比以前认为的要小。

“这是第一次有人直接看到这个空间,”该实验的首席研究员,麻省理工学院物理学教授Jerrold R. Zacharias职业发展助理教授Lindley Winslow说。“我们很高兴我们现在可以说,'我们有办法看到这里,我们知道如何做得更好!'”

温斯洛的麻省理工学院合着者包括第一作者Jonathan Ouellet,Chiara Salemi,Zachary Bogorad,Janet Conrad,Joseph Formaggio,Joseph Minervini,Alexey Radovinsky,Jesse Thaler和Daniel Winklehner,以及其他八所院校的研究人员。

Magnetars和munchkins

虽然他们被认为无处不在,但预计轴心几乎就像鬼一样,只与宇宙中的其他物质发生微小的相互作用。

“作为暗物质,它们不应该影响你的日常生活,”温斯洛说。“但他们被认为会影响宇宙学上的事物,比如宇宙的膨胀和我们在夜空中看到的星系的形成。”

由于它们与电磁学的相互作用,理论上的轴在磁化器周围具有令人惊讶的行为 - 一种中子星可以产生巨大的磁场。如果存在轴,它们可以利用磁星的磁场将自身转换成无线电波,这可以通过地球上的专用望远镜来检测。

2016年,麻省理工学院的三位理论家开展了一项思想实验,用于探测受磁力激发的轴。该实验被称为ABRACADABRA,用于A宽带/共振宇宙轴检测方法,具有放大B场环装置,由Thaler构思,他是物理学副教授,核科学实验室研究员和理论物理中心,Benjamin Safdi,麻省理工学院Pappalardo研究员,前研究生Yonatan Kahn。

该团队提出了一种小型环形磁铁的设计,该磁铁保持在冰箱中,温度刚好高于绝对零度。如果没有轴,就不应该在甜甜圈的中心有磁场,或者像温斯洛所说的那样,“munchkin应该在哪里。”然而,如果存在轴,探测器应该“看到”中间的磁场。甜甜圈

在小组发表他们的理论设计之后,实验主义者温斯洛开始着手寻找实际构建实验的方法。

温斯洛说:“我们想要寻找一个轴的信号,如果我们看到它,它就是真正的轴心。” “这就是这个实验的优雅之处。从技术上讲,如果你看到这个磁场,它只能是轴,因为他们想到的特殊几何形状。

在甜蜜的地方

这是一项具有挑战性的实验,因为预期信号小于20 atto-Tesla。作为参考,地球的磁场是30微特斯拉,人脑波是1微微特斯拉。在构建实验时,温斯洛和她的同事不得不面对两个主要的设计挑战,第一个涉及用于将整个实验保持在超级温度的冰箱。冰箱包括一个机械泵系统,其活动可能产生非常轻微的振动,温斯洛担心这可能掩盖轴心信号。

第二个挑战与环境噪声有关,例如附近的无线电台,整个建筑物内的电子设备开启和关闭,甚至计算机和电子设备上的LED灯,所有这些都可能产生竞争的磁场。

该团队通过悬挂整个装置,使用像牙线一样薄的线来解决第一个问题。第二个问题是通过冷超导屏蔽和围绕实验外部的热屏蔽的组合来解决的。

“我们最终可以获取数据,并且有一个甜蜜的区域,我们高于冰箱的振动,低于可能来自邻居的环境噪音,我们可以在那里进行实验。”

研究人员首先进行了一系列测试,以确认实验正在进行并准确显示磁场。最重要的测试是注入磁场来模拟假轴,并看到实验的探测器产生了预期的信号 - 表明如果真实的轴与实验相互作用,它将被检测到。此时实验准备好了。

“如果您通过音频程序获取数据并运行它,您就可以听到冰箱发出的声音,”温斯洛说。“我们还看到其他噪音在隔壁做某事的时候会打开和关闭,然后噪音消失了。当我们看到这个最佳点时,它就会保持在一起,我们就能理解探测器是如何工作的,它会变得安静,足以听到轴心。“

看到了群

2018年,该团队开展了ABRACADABRA的首次试运行,在7月至8月期间不断取样。在分析了这一时期的数据后,他们发现在0.31至8.3纳米电子伏特的质量范围内没有证据表明存在超过一百亿分之一的电力和磁力。

该实验旨在检测甚至更小质量的轴,低至约1 femtoelectronvolts,以及大至1微电子伏特的轴。

该团队将继续运行当前的实验,这个实验大约相当于篮球的大小,以寻找更小更弱的轴。与此同时,温斯洛正在研究如何将实验扩展到紧凑型汽车的尺寸 - 尺寸可以检测甚至更弱的轴。

“在实验的下一阶段,很有可能发现重大发现,”温斯洛说。“激励我们的是有可能看到会改变这个领域的东西。这是高风险,高回报的物理学。“

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