近一个世纪以来，科学家们一直在努力揭开暗物质的神秘面纱。暗物质是一种难以捉摸的物质，它遍布宇宙，很可能构成了宇宙的大部分质量，但迄今为止，科学家们还无法通过实验发现它。现在，一组研究人员使用了一种名为“量子挤压”的创新技术，杏耀招商极大地加快了在实验室中寻找一种暗物质候选物质的速度。

 

今天发表在《自然》(Nature)杂志上的这些发现，围绕着一种极其轻且尚未被发现的粒子——轴子展开。根据理论，轴子可能比电子小数十亿到数万亿倍，而且可能是在宇宙大爆炸期间大量产生的——这足以潜在地解释暗物质的存在。

 

然而，寻找这种有希望的粒子有点像大海捞针。

 

可能会有一些缓解的迹象。在耶鲁大学进行的一个叫做“对轴子冷暗物质敏感的光晕仪”(HAYSTAC)实验项目中，研究人员报告称，他们已经突破了热力学定律所设置的一个基本障碍，提高了搜寻的效率。该团队包括来自JILA的科学家，JILA是科罗拉多大学博尔德分校和美国国家标准与技术研究所(NIST)的联合研究所。

 

“这比我们以前能做的速度快了一倍，”这篇新论文的两名主要作者之一、耶鲁大学(Yale University)研究生凯利·巴克斯(Kelly Backes)说。

 

这种新方法可以让研究人员更好地将可能存在的轴子的微弱信号与自然界中存在于极小尺度的随机噪声(有时被称为“量子涨落”)分离开来。该研究的共同作者、JILA的NIST研究员Konrad Lehnert说，这个团队在未来几年内发现轴子的可能性仍然和中彩票一样大。但这种可能性只会越来越大。

 

“一旦你找到了绕过量子涨落的方法，你的路径就会变得越来越好，”莱纳特说，他也是科罗拉多大学博尔德分校物理系的客座教授。

 

HAYSTAC由耶鲁大学领导，是JILA和加州大学伯克利分校的合作伙伴。

 

量子的法律

 

丹尼尔·帕尔肯(Daniel Palken)是这篇新论文的共同第一作者，他解释说，让轴子如此难以发现的原因，同时也是让它成为暗物质的理想候选者的原因——它很轻，不带电荷，几乎从不与正常物质相互作用。

 

“它们没有任何让粒子容易被检测到的特性，”帕尔肯说，他在2020年获得了JILA的博士学位

 

但也有一线希望:如果轴子穿过足够强的磁场，其中一小部分可能会转化为光波——这是科学家们可以探测到的。研究人员已经开始努力在太空中强大的磁场中寻找这些信号。然而，海斯塔克实验却在地球上站稳了脚跟。

 

该项目于2017年公布了其第一个发现，它在耶鲁大学校园内使用了一个超冷设备来创造强磁场，然后试图探测轴子转变为光的信号。这不是一个简单的搜索。科学家们预测，轴子可以表现出非常大的理论质量范围，在像海斯塔克这样的实验中，每一个轴子都会产生不同频率的光信号。为了找到真正的粒子，这个团队可能必须从很大的可能性中寻找——比如调整收音机来找到一个微弱的电台。

 

“如果你试图深入研究这些非常微弱的信号，可能要花上几千年，”帕尔肯说。

 

该团队面临的一些最大障碍是量子力学的定律本身——即海森堡不确定性原理，它限制了科学家观察粒子的准确性。在这种情况下，研究小组就不能同时精确测量由轴子产生的光的两种不同性质。