对暗物质的搜索正在急剧扩大

自从1980年代天文学家达成共识以来，宇宙中的大多数物质都是不可见的-“暗物质”必须将星系粘合在一起，并在重力的作用下将整个宇宙雕刻成整体-实验主义者一直在寻找不发光的粒子。

经西蒙斯基金会（Simons Foundation）编辑独立的出版物《量子杂志》（Quanta Magazine）许可，转载了原始故事，其目的是通过涵盖数学，物理和生命科学的研究发展和趋势来增强公众对科学的理解。

他们首先着手寻找一种沉重，缓慢的暗物质形式，称为弱相互作用的大粒子或WIMP，这是宇宙失踪物质的早期首选候选人，因为它可以解决粒子物理学中的另一个不相关的难题。在过去的几十年中，物理学家团队以巨大的晶体和数吨的奇异液体大桶的形式设置了更大的目标，希望当WIMP撞击时捕捉到原子的稀有波动。

但是这些探测器一直保持安静，物理学家越来越多地考虑到更大范围的可能性。他们说，从繁重的一面看，宇宙的无形物质可能会聚集成像恒星一样重的黑洞。在另一个极端，暗物质可以在比电子轻数千万亿亿倍的细雾中散布开来。

新的假设带来了新的检测方法。加州理工学院的理论物理学家Kathryn Zurek说，如果当前的WIMP实验什么都看不到，“那么我认为该领域将有很大一部分将转向这些新型实验。 ”

工作已经开始。这是寻找暗物质的许多新领域中的一些。

WIMP的重量足以偶尔打倒整个原子。但是如果暗物质变浅，一些实验者会设置较小的保龄球瓶。

轻于质子的暗物质颗粒轻雨可能会使电子脱离其主原子。专门设计用来吸收这种暗物质的第一个实验是亚电子噪声船长CCD实验仪（Sensei），它使用类似于数码相机的技术来放大材料中意外释放的电子产生的信号。

当Sensei原型仅用十分之一克的硅打开时，没有发现暗物质。即便如此，该团队于2018年发布的结果立即排除了某些模型。

俄勒冈大学的物理学家，Sensei合作成员Yu Ti-Tien Yu说：“我们刚刚开启，并达到了世界上最好的极限，因为以前没有极限。”

Sensei的2克版本的最新结果扩展了这些限制，现在Yu和她的同事正准备在加拿大的地下实验室中部署10克版本的产品，以免干扰宇宙射线。其他小组正在设计针对相同的低挂水果的替代低成本实验。

如果暗物质仍较亮，或对电荷不敏感，则可能无法释放电子。祖雷克（Zurek）采取了脑力激荡的方式，甚至通过影响粒子群的行为，甚至使这些点子尖叫声也可以出卖它们的存在。

想象一下，例如一块硅，作为床垫，其弹簧代表原子核。祖雷克说，从床垫上弹开四分之一，虽然没有一个弹簧会移动太多，但硬币可能会引起穿过许多弹簧的波纹。她在2017年提出，暗物质相互作用产生的类似干扰可能会产生声波，可能会使系统稍微变暖。

沿着这条路线走的一个项目，Tesseract，目前在加州大学伯克利分校的一个地下室中进行，以寻找类似于Sensei目标的深色粒子产生的涟漪。但是，从理论上讲，未来的升级很可能会发现轻达一千倍的粒子。

但是，还有更多的小人国粒子可能性。轴突（比粒子微弱得多的波）可能包含暗物质，同时解决了关于强核力的谜团。 Axion暗物质实验（ADMX）最近开始扫描在强大磁场内衰减成光子对的Axion，并且开始进行一些类似的搜索。

一些实验的目的是为了减轻重量。暗物质中最轻的物质可能约为电子质量的万亿分之一的千分之一—这将导致粒子像极低能量的波，其波长相当于小星系的大小。较轻（因此更长）的实体将过于分散，无法解释为什么星系会粘在一起。

当实验学家准备下一代寻求与暗物质直接接触的设备时，其他人则计划冲向天堂寻找间接路标。

人们认为，巨大的暗物质云通过引力吸引可见物质来创建星系和恒星。但是，可能存在的任何较小的暗物质团簇都无法做到这一点。这些适度的斑点将是完全黑暗的，但它们仍应在重力作用下弯曲经过的星光。一组研究人员正在通过正在进行的GAIA调查数据中的暗物质斑点来寻找星光的“透镜”。

俄勒冈大学的物理学家，团队成员安娜·玛丽亚·塔基（Anna-Maria Taki）说：“黑暗的结构正在整个银河系中移动。” “随着它们的移动，它们会扭曲光源的位置以及正确的运动和轨迹。”

9月份发表的初步结果没有发现任何这样的结构重于1亿个太阳。利用更大的未来数据集，研究人员希望能够辨别出更细的乌云的轮廓。从这些假设结构的形状和大小，科学家们可以推断出暗物质粒子是否与自身相互作用以及以何种方式相互作用。

其他研究人员提出了一种利用迅速增长的系外行星目录的方法。 SLAC国家加速器实验室的粒子物理学家丽贝卡·莱恩（Rebecca Leane）说：“我们在那里坐着数十亿个这样的东西。”

这个想法是，当行星扫过银河系时，它的核心可能会收集暗物质。当这些暗物质粒子与它们的反粒子消失时，它们会加热地球。距银河系中心较近的系外行星会穿过更密集的暗物质，因此它们应该用红外光发光。莱恩和他的同事计算得出，如果即将到来的詹姆斯·韦伯太空望远镜能够承受几千个系外行星的温度，则该数据集可能带有an灭电子质子质量范围内暗粒子的指纹。

WIMPS可能已关闭，但尚未退出。接近4吨的氙气坦克将于3月在意大利的格兰萨索国家实验室开始为期两年的运行。韩国的Cosine-100合作小组则试图检查另一项名为DAMA的Gran Sasso实验的有争议的说法。在那个实验中，如果地球对它所穿过的暗物质的“风”呈现不同的面，那么一系列碘化钠晶体就可以准确地记录这种季节性变化。 “他们每年进行一次调整-不算，不算或不算。但这是什么？”德克萨斯大学奥斯汀分校的天体物理学家凯瑟琳·弗里斯（Katherine Freese）说。 “我们无法弄清楚。”

Freese的计算有助于开启WIMP实验时代，它也具有追踪微粒的新思路。在2018年，她建议WIMP可能钻入地下几英里深的岩石中，并且她最近签署了一项提案，要求将其挖掘出来。

许多物理学家期望暗物质无所不在。如果他们能找到足够的方法来感知不可见的物体（例如检查它是否使不同类型的探测器发痒，或者是否会推动星光，使行星芯变暖，甚至是落在岩石中），它的幽灵般的影响就会出现在任何地方。

“任何东西都可以成为暗物质探测器，” Leane说。 “您只需要有足够的创造力来思考如何使用它。”

经西蒙斯基金会（Simons Foundation）编辑独立的出版物《量子杂志》（Quanta Magazine）许可，转载了原始故事，其目的是通过涵盖数学，物理和生命科学的研究发展和趋势来增强公众对科学的理解。

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