探索暗物质：量子技术与解决太空最大谜团的探索

科学家们正在利用先进的量子技术建造高灵敏度的暗物质探测器，旨在直接观察和识别暗物质，暗物质占宇宙物质的80%。

科学上最大的谜团之一可能离解开又近了一步。

宇宙中大约80%的物质是黑暗的，这意味着它们是看不见的。事实上，暗物质正在不断地穿过我们 —— 可能以每秒数万亿个粒子的速度。

我们知道它的存在，因为我们可以看到它的引力效应，但迄今为止的实验还未能探测到它。

先进量子技术在行动

利用最先进的量子技术，来自兰开斯特大学、牛津大学和伦敦大学皇家霍洛威学院的科学家们正在建造迄今为止最灵敏的暗物质探测器。

他们的公开展览题为“看不见的宇宙的量子观”，在今年的皇家学会旗舰夏季科学展览上展出。

研究人员包括兰开斯特大学的Michael Thompson博士、Edward Laird教授、Dmitry Zmeev博士和Samuli Autti博士、牛津大学的Jocelyn Monroe教授和RHUL的Andrew Casey教授。

EPSRC研究员Autti博士说：“我们正在使用超低温下的量子技术来建造迄今为止最灵敏的探测器。我们的目标是直接在实验室里观察这种神秘的物质，并解决科学上最大的谜团之一。”

理论视角与实验方法

银河系中典型的暗物质密度有间接的观测证据，但组成粒子的质量以及它们与普通原子可能的相互作用尚不清楚。

粒子物理理论提出了两种可能的暗物质候选者：一种是相互作用非常弱的新粒子，我们还没有观察到它们，另一种是被称为轴子的非常光波状的粒子。该团队正在进行两项实验，一项用于搜索。

在这两个候选粒子中，可以通过与普通物质的碰撞来探测到具有超弱相互作用的新粒子。然而，这些碰撞能否在实验中被识别出来，取决于所寻找的暗物质的质量。到目前为止，大多数搜索都能探测到比氢原子重5到1000倍的暗物质粒子，但有可能错过了更轻的暗物质候选者。

暗物质和宇宙学的量子增强超流体技术（QUEST-DMC）团队的目标，是在与质量在0.01到几个氢原子之间的暗物质候选者碰撞时达到世界领先的灵敏度。为了实现这一目标，探测器由超流体氦-3制成，冷却成宏观量子态，并配有超导量子放大器。将这两种量子技术结合在一起，就创造了测量暗物质碰撞极弱信号的灵敏度。

利用量子力学探测暗物质

相比之下，如果暗物质是由轴子构成的，它们将非常轻 —— 比氢原子轻10亿多倍 —— 但相应地更丰富。科学家将无法探测到与轴子的碰撞，但他们可以寻找另一种特征 —— 轴子在磁场中衰变时产生的电信号。这种效应只能用一个非常灵敏的放大器来测量，这个放大器在量子力学允许的最高精度下工作。因此，隐藏扇区量子传感器（QSHS）团队正在开发一种新型量子放大器，该放大器非常适合搜索轴子信号。

今年展览的展台将为所有年龄的游客提供富有想象力的动手展品，让他们观察不可见的事物。

为了演示我们如何通过观察星系推断暗物质，将会有一个盒子里的陀螺仪，由于看不见的角动量，它会以令人惊讶的方式运动。也会有透明的液体玻璃弹珠，展示如何通过巧妙的实验来观察不可见的物体。

一个发光的稀释冰箱将展示该团队如何实现超低温，一个暗物质粒子碰撞探测器模型将展示如果暗物质表现得像正常物质，我们的宇宙将如何表现。

然后，参观者可以通过扫描无线电接收器的频率，用模型轴子探测器搜索暗物质，他们也可以使用钟摆创建自己的参数放大器。

英国皇家学会院士、公众参与委员会主席、宇宙学家卡洛斯·弗伦克说：“科学对于帮助我们了解我们生活的世界 —— 过去、现在和未来至关重要。我敦促所有年龄段的游客带着开放的心态、好奇心和热情前来，庆祝不可思议的科学成就。”