在太阳附近运行的原子钟可以探测暗物质

在太阳附近运行的原子钟可以探测暗物质我们每天在周围看到的物质只占宇宙中质量的15%左右。另外的85%归功于一种奇怪的、看不见的物质，它不反射也不发光，因此它的名字听起来很诡异，叫做暗物质。然而，它确实通过与光和物质的引力相互作用来表明自己的存在，而且其存在的证据不断增加。但令人沮丧的是，尽管科学家们经过了几十年的探索，但最好的证据--直接探测--仍然没有得到。根据不同模型的预测，已经进行了实验来探测暗物质的特性，它可能有也可能没有。最常见的主题是在地下深处放置一个巨大的检测器材料罐，远离干扰，等待暗物质粒子撞上罐中的原子核的罕见情况。其他实验则观察一些假设的暗物质粒子被预测为会产生的电磁效应。到目前为止，这些实验都没有发现这种东西的任何迹象。但也许这是因为我们一直自己在错误的地方寻找。模型显示，太阳系中密度最高的暗物质将在太阳附近，所以一项新的研究建议我们从那里开始寻找。来自KavliIPMU、加州大学欧文分校和特拉华大学的研究人员概述了一种探测太阳附近暗物质的潜在新方法。在那里，这种物质的密度应该足够高，其预测的信号应该比在地球上要清晰得多。在暗物质粒子具有极小质量的模型中，它们将被预测为引起自然界某些常数的振荡，例如电子的质量或电磁力的强度。这些变化将反过来影响原子的能量，因为它们在不同状态之间转换。由于原子钟是通过测量原子在不同状态之间转换时发出的光子的频率来工作的，所以它们应该能够检测到暗物质何时导致这些振荡。"实验周围的暗物质越多，这些振荡就越大，所以在分析信号时，暗物质的局部密度非常重要，"该研究的作者JoshuaEby说。重要的是，该团队表示，进行该实验所需的技术已经存在。原子钟被广泛用于保持航天器的同步性，而帕克太阳探测器的特殊屏蔽已经证明了近太阳轨道是可以做到的。"长距离的太空任务，包括未来可能的火星任务，将需要特殊的计时，就像太空中的原子钟所提供的那样，"Eby说。"一个可能的未来任务，其屏蔽和轨迹与帕克太阳探测器非常相似，但携带一个原子钟装置，可能足以进行搜索。"虽然目前还没有关于这一概念何时或是否可能被付诸行动的消息，但这是一个令人感兴趣的想法。描述这一想法的论文发表在《自然天文学》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1334489.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1334489.htm

暗物质依然 "黑暗" - 科学家利用原子钟揭示新奥秘

暗物质依然"黑暗"-科学家利用原子钟揭示新奥秘PTB的研究人员利用灵敏的原子钟寻找超轻暗物质影响精细结构常数的证据，但没有发现明显的变化，从而完善了我们对暗物质潜在相互作用和常数随时间变化稳定性的理解。一种特别有前景的理论方法暗示，暗物质可能由极轻的粒子组成，其行为更像是波而不是单个粒子：即所谓的"超轻"暗物质。在这种情况下，以前未被发现的暗物质与光子之间的微弱相互作用将导致精细结构常数的微小振荡。精细结构常数是描述电磁相互作用强度的自然常数。它决定了原子能量标度，从而影响了原子钟中用作参考的转变频率。由于不同的跃迁对常数的可能变化具有不同程度的敏感性，因此原子钟的比较可用于寻找超轻暗物质。为此，PTB的研究人员现在使用了一种原子钟，它在这种搜索中对精细结构常数的可能变化特别敏感。为此，在长达数月的测量中，将这一灵敏的原子钟与灵敏度较低的另外两个原子钟进行了比较。测量数据被用于研究超轻暗物质的特征--振荡。由于没有发现明显的振荡，暗物质仍然是"暗"的，即使经过更仔细的检查也是如此。由于没有发现信号，因此无法探测到神秘的暗物质，但可以对超轻物质与光子之间可能的耦合强度确定新的实验上限，以前的上限在很大范围内提高了一个数量级以上。与此同时，研究人员还研究了精细结构常数是否会随着时间的推移而发生变化，例如非常缓慢地增加或减少。数据中没有检测到这种变化。在这里，现有的限制也被收紧，表明即使在很长一段时间内，常数也保持不变。与以往的时钟比较不同，在以往的比较中，每个原子钟都需要自己的实验系统，而在这项工作中，三个原子钟中的两个是在一个实验装置中实现的。为此，使用了单个被俘离子的两种不同跃迁频率：离子在两个光学转变频率上交替接受询问。这是朝着使光学频率比较更加紧凑和稳健迈出的重要一步--例如，用于未来在太空中寻找暗物质。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1376071.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1376071.htm

科学家提出搜寻暗物质的新方法

科学家提出搜寻暗物质的新方法自暗物质被发现以来，科学家们一直未能探测到它，即使几十年来在世界各地部署了多个超灵敏粒子探测器实验也无济于事。现在，美国能源部（DOE）SLAC国家加速器实验室的物理学家们提出了一种利用量子设备寻找暗物质的新方法。SLAC物理学家丽贝卡-利恩（RebeccaLeane）是这项新研究的作者之一，她认为大多数暗物质实验都在寻找银河系暗物质，这种暗物质会直接从太空发射到地球上，但另一种暗物质可能已经在地球周围徘徊了很多年。利恩说："暗物质进入地球后，会四处弹跳，最终被地球的引力场困住。随着时间的推移，这种热化暗物质的密度会比少数松散的星系粒子更高，这意味着它更有可能撞上探测器。不幸的是，热化暗物质的移动速度要比银河系暗物质慢得多，这意味着它传递的能量要比银河系暗物质少得多--传统探测器可能无法看到。"有鉴于此，利恩和SLAC博士后研究员阿尼尔班-达斯找到了SLAC的科学家诺亚-库林斯基，他是一个新实验室的负责人，主要研究用量子传感器探测暗物质。库林斯基说，科学家通常认为这是因为冷却系统不完善或环境中存在热源。但他说，可能还有其他原因："如果我们实际上有一个完美的冷系统，而我们无法有效冷却它的原因是它不断受到暗物质的轰击呢？"达斯、库林斯基和利恩想知道，超导量子设备是否可以重新设计为热化暗物质探测器。根据他们的计算，激活量子传感器所需的最小能量足够低，约为千分之一电子伏特，因此它可以探测到低能量的银河系暗物质以及悬浮在地球周围的热化暗物质粒子。当然，这并不意味着暗物质是量子设备失灵的罪魁祸首--只是说它是可能的，下一步就是要弄清楚他们能否以及如何将敏感的量子设备变成暗物质探测器。因此，有几件事需要考虑。首先，也许有更好的材料来制造这种装置。利恩说："我们一开始考虑的是铝，这只是因为铝可能是迄今为止用于探测器的特性最好的材料。但事实可能证明，对于我们正在研究的质量范围和我们想要使用的探测器类型，也许有更好的材料。"利恩说，还有一种可能性是，热化暗物质与量子设备的相互作用不会像银河系暗物质被怀疑与直接探测设备的相互作用那样。在这项研究中只是考虑了暗物质进入并直接弹开探测器的简单情况，但它还可以做很多其他事情。例如，其他粒子可能与暗物质相互作用，改变探测器中粒子的分布方式。"这就是在SLAC工作的好处之一。我们确实有相当多样化的小组在从事许多不同的科学研究，我觉得这个项目是SLAC研究的一个非常好的协同效应。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1429970.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1429970.htm

寻找暗物质 - 一种前景光明的新方法

寻找暗物质-一种前景光明的新方法宇宙中约80%的物质是一种未被发现的物质，称为"暗物质"。虽然理论上认为暗物质的存在已经有大约90年的历史，但JEDI合作组织的科学家们利用先进的粒子加速器技术，正在开发新的方法来探测暗物质，尽管确凿的证据仍然难以捉摸。该研究的合著者之一约尔格-普雷茨（JörgPretz）解释说："这是协调星系内可见物质的速度分布与现有知识的唯一方法，一种以前未观察到的'暗'物质形式必须额外地稳定星系"。他同时也是尤里希研究中心核物理研究所的副所长和亚琛工业大学的教授自20世纪30年代以来，物理学家一直在寻找这种物质。科学界不乏各种理论，但还没有人成功地探测到暗物质。沃尔克-海尼博士（VolkerHejny）说："这是因为暗物质的性质还完全不清楚。"海尼博士也来自于尤利希核物理研究所，和他的同事约尔格-普雷茨（JörgPretz）一样，也是进行这项实验的国际JEDI合作组织的成员。JEDI是JülichElectricDipolemomentInvestigations的缩写，参与合作的科学家自2011年以来一直致力于测量带电粒子的电偶极矩。"暗物质是不可见的，迄今为止只是通过其引力间接地显现出来。它的影响相对微小，这就是为什么只有在质量极大的情况下--比如整个星系--暗物质才会真正显现出来"。理论物理学家已经提出了一些暗物质可能由其组成的假想基本粒子。根据这些粒子的特性，可以使用各种方法来探测它们--这些方法不需要高度复杂的引力效应探测。这些方法包括轴子和类轴子粒子。在他们的实验中，JEDI的科学家们利用了尤利希粒子加速器COSY的一个特殊功能：使用偏振光束。图片来源：ForschungszentrumJülich/Ralf-UweLimbach"轴子最初是为了解决量子色动力学强相互作用理论中的一个问题，"Pretz解释道。"轴子这个名字可以追溯到诺贝尔物理学奖得主弗兰克-威尔切克（FrankWilczek），指的是一种洗涤剂品牌：可以说，这种粒子的存在是为了'清理'物理学理论。"为了探测轴子，JEDI合作项目的科学家们利用了粒子的自旋。"自旋是量子力学的一个独特性质，它使粒子表现得像小型条形磁铁，"Hejny解释说。"例如，医学成像中的磁共振成像（简称MRI）就利用了这一特性。作为这一过程的一部分，原子核的自旋会被强大的外部磁场激发。"核磁共振成像技术也被用来寻找暗物质。在普通核磁共振成像中，原子处于静止状态，而在加速器中，粒子几乎以光速运动。这使得某些领域的检查更加灵敏，测量更加精确。在他们的实验中，JEDI的科学家们利用了尤利希粒子加速器COSY的一个特殊功能，即使用偏振光束。"在传统的粒子束中，粒子的自旋方向是随机的，"Pretz说。"而在偏振粒子束中，自旋是朝一个方向排列的"。全世界只有少数加速器具备这种能力。"如果正如科学家们所猜测的那样，我们周围存在轴子的背景场，那么这将影响自旋的运动--因此最终可能在实验中被检测到。然而，预期的影响微乎其微。测量还不够精确。不过，虽然JEDI实验还没有发现暗物质粒子的证据，但研究人员已经设法进一步缩小了可能的相互作用效应的范围。也许更重要的是，他们能够在寻找暗物质的过程中建立一种新的、有前途的方法。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1385203.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1385203.htm

微型原子钟帮助加速寻找暗物质及其它

微型原子钟帮助加速寻找暗物质及其它科学家们正在利用光学原子钟这种超灵敏量子传感器寻找暗物质。(艺术家概念图）。挑战：操作这种超精密时钟所需的设备--包括激光器、电子设备和冷却器--可以摆满一张大桌子，甚至一个房间。这将使将它们发射到太空变得非常昂贵，甚至不可能。费米实验室研究人员孙鸿志和帕梅拉-克拉伯斯在试验台上测试芯片。图片来源：RyanPostel，费米实验室参与美国能源部和国防部联合项目的科学家旨在将这些元件微型化到鞋盒大小。经过两年多的努力，来自能源部费米国家加速器实验室和麻省理工学院林肯实验室的研究人员已经报告了初步的可喜成果。费米实验室的研究人员设计并开发了控制装置内电压所需的紧凑型电子设备，而麻省理工学院林肯实验室的研究人员正在开发制造时钟所需的微小离子阱和相应的光子学。费米实验室团队设计的芯片目前正在麻省理工学院实验室进行测试。实验室微电子部主任法拉-法希姆（FarahFahim）说："这是迈向高精度、小尺寸原子钟的第一步。"麻省理工学院实验室的光学原子钟使用离子阱作为传感器--在本例中，锶离子被电场束缚。激光作为时钟的振荡器，测量离子在两个量化能级之间转换的振荡频率。这种结构紧凑的原子钟非常适合部署到太空中寻找超轻暗物质，理论上暗物质会引起电子质量的振荡。如果几个原子钟穿过太空中的一团暗物质，暗物质就会增加或减少每个原子钟测量到的光子能量，从而改变它的"滴答"声。当暗物质经过时，这些时钟会失去同步，之后又会重新同步。研究人员用GPS卫星进行了这些实验，每颗卫星都包含多个基于不同技术的原子钟。但他们在这些实验中没有发现暗物质的证据。研究人员认为，也许可以用更灵敏的时钟来探测暗物质。芯片的图形效果图。资料来源：费米实验室萨曼莎-科赫在美国国防部的资助下，麻省理工学院实验室的研究人员将困离子原子钟微型化，将激光传输和探测全部集成到一个芯片上。但要完成这个系统，麻省理工学院LL研究人员需要的不仅仅是微型化的原子和光子元件。他们需要帮助设计一个微型电子控制系统。这就是费米实验室介入的原因；能源部的高能物理QuantISED计划为电子开发和集成提供了资金。法希姆说："我们拥有30多年为对撞机物理学开发紧凑型电子设备的经验，我们已经开发出了适用于极端环境的芯片。这与控制原子并读出其状态所需的电子器件并无二致。"麻省理工学院LL的参谋科学家罗伯特-麦康奈尔（RobertMcConnell）说："这是一个真正利用了不同政府实验室独特能力的项目，"他领导了该项目的光子离子阱芯片开发工作。难点在于如何制造一种小型芯片，既能控制系统所需的高电压（至少20伏），又能保持高速度和低功耗。费米实验室团队与一家半导体制造商合作，最近制造出了一种能控制高达9伏电压的芯片。"该项目的首席芯片设计师孙鸿志说："它的电压噪声也很低，因此不会扰乱离子的量子态。"准备测试：芯片的定制测试板与测试设备连接。芯片用导线粘接在测试板上，并由方形白色塑料盖保护。图片来源：RyanPostel，费米实验室麻省理工学院LL研究人员现在希望通过一种技术将芯片与离子阱集成在一起，这种技术允许他们将两个芯片堆叠在一起，并通过通孔（即层间电连接）将它们连接起来。随后，费米实验室的研究人员将继续完善电子设计，将电压提高到20伏。我们的目标是制造出一个紧凑型原子钟，其频率不确定性为10-18。麦康奈尔说："这次合作让我们获得了两个世界的好处。通过让费米实验室设计电路并将其与我们的离子阱集成，我们可以制造出可控性良好的量子传感器。"这些时钟的用途可以超出高能物理研究，包括太空防御，甚至可以作为极其灵敏的传感器来预测海啸或地震。这些离子阱还可以成为未来量子计算机的基础。法希姆说："国防部和能源部在应用目标上存在巨大差异，但在基础技术开发方面却有着同样引人注目的协同效应；我们只需要找到合作的方法。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1374213.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1374213.htm

科学家提出或能像探测流星一样寻找暗物质的新方法

科学家提出或能像探测流星一样寻找暗物质的新方法尽管暗物质占宇宙总质量的85%，但它仍难以被直接探测到。一项新研究提出了一种独特的方法来寻找暗物质，通过将地球的大气层作为一个巨大的探测器来探测像流星一样在空中流动的暗物质粒子。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1328757.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1328757.htm