來(lái)自Cardiff 大學(xué)的科學(xué)家將引力波激光探測(cè)儀用于探索暗物質(zhì)。

宇宙中的奧秘總是如此神秘又令人費(fèi)解。科學(xué)家們一直致力于宇宙中的引力波探測(cè)，而科學(xué)家們相信，現(xiàn)有的引力波技術(shù)有真正的潛力最終發(fā)現(xiàn)一種奇異的物質(zhì)，甚至找到它的組成部分。

這種被稱為的暗物質(zhì)的東西，一直被認(rèn)為約占宇宙中所有物質(zhì)的85%，但從未被直接觀測(cè)到，它仍然是現(xiàn)代物理學(xué)中最大的未解之謎之一。

圖1 使用改進(jìn)的LPSD技術(shù)，將頻率箱調(diào)諧到預(yù)期暗物質(zhì)線寬，從而產(chǎn)生典型的振幅譜。黑線表示振幅譜。在每個(gè)頻率單元處從相鄰單元估計(jì)噪聲譜，以產(chǎn)生局部噪聲中值（藍(lán)色）和95%置信水平（CL，綠色）。高于該置信水平的峰值（紅色）被視為暗物質(zhì)信號(hào)的候選，并進(jìn)一步分析。來(lái)源：DOI: 10.1038/s41586-021-04031-y

最近的一種理論認(rèn)為暗物質(zhì)實(shí)際上是一種稱為標(biāo)量場(chǎng)的物質(zhì)，它的行為就像圍繞著星系（包括我們自己的銀河系）反彈的不可見(jiàn)波。

發(fā)表在《Nature》雜志上的一項(xiàng)研究中，由Cardiff 大學(xué)重力探索研究所的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)朝著這個(gè)目標(biāo)邁出了第一步，他們使用了被稱為激光干涉儀的儀器，首次尋找一種新的暗物質(zhì)。

圖2對(duì)于基本標(biāo)量場(chǎng)景中的標(biāo)量場(chǎng)暗物質(zhì)，耦合參數(shù)Λγ和Λe作為場(chǎng)曼n質(zhì)量的函數(shù)的約束。

發(fā)起此次調(diào)查的Cardiff 大學(xué)重力勘探研究所的Hartmut Grote教授說(shuō)：“我們意識(shí)到，我們的儀器可以用來(lái)尋找這種新型暗物質(zhì)，盡管它們最初是為探測(cè)引力波而設(shè)計(jì)的?！?。

在激光干涉儀中，兩束光在反射鏡之間反彈，然后在探測(cè)器上會(huì)合。由此，科學(xué)家可以非常精確地測(cè)量光束之間的不同步程度，這本身就是光束遇到任何干擾的代表。

圖3對(duì)于標(biāo)量場(chǎng)暗物質(zhì)，如在膨脹/模量場(chǎng)景和弛豫暈場(chǎng)景中的耦合參數(shù)Λγ和Λe作為場(chǎng)曼n質(zhì)量的函數(shù)的約束。

激光干涉儀引力波觀測(cè)臺(tái)（LIGO）由位于美國(guó)的兩臺(tái)干涉儀組成，每臺(tái)干涉儀有兩個(gè)4公里長(zhǎng)的臂，臂呈“L”形排列，2015年第一次用于探測(cè)引力波，此后多次用于探測(cè)引力波。

Grote于2009年至2017年擔(dān)任英國(guó)和德國(guó)在德國(guó)的GEO600探測(cè)器的首席科學(xué)家，這是另一個(gè)高靈敏度干涉儀，用于開(kāi)發(fā)探測(cè)引力波所需的許多技術(shù)。

圖4 藝術(shù)家對(duì)黑洞的印象。來(lái)源：NASA

在這項(xiàng)研究中，GE0600探測(cè)器首次被用于專門尋找暗物質(zhì)。

“標(biāo)量場(chǎng)暗物質(zhì)波會(huì)直接穿過(guò)地球，到達(dá)儀器，但當(dāng)它們這樣做時(shí)，會(huì)導(dǎo)致像鏡子這樣的物體輕微振動(dòng)。”首席研究員Sander Vermeulen說(shuō)，他也是Cardiff大學(xué)重力勘探研究所的成員。

“反射鏡的振動(dòng)會(huì)以暗物質(zhì)特有的方式干擾GEO600或LIGO探測(cè)器等儀器中的光束，這是我們應(yīng)該能夠檢測(cè)到的，這取決于暗物質(zhì)的確切性質(zhì)?！?/p>

盡管暗物質(zhì)從未被直接探測(cè)到，但科學(xué)家們懷疑它的存在是因?yàn)樗鼘?duì)宇宙中的物體產(chǎn)生了引力效應(yīng)。例如，大量看不見(jiàn)的物質(zhì)可以解釋為什么星系會(huì)這樣旋轉(zhuǎn)，以及它們最初是如何形成的。

雖然研究小組在這項(xiàng)新的研究中沒(méi)有成功地進(jìn)行任何類型的探測(cè)，但他們表示，在將這項(xiàng)技術(shù)引入暗物質(zhì)搜索方面，他們正在邁出重要的第一步，并且已經(jīng)在縮小未來(lái)研究的某些參數(shù)方面取得了進(jìn)展。

Grote教授繼續(xù)說(shuō)道：“當(dāng)一種儀器最初是為了一個(gè)完全不同的目的而建造的時(shí)候，它能如此靈敏地捕捉暗物質(zhì)讓我感到驚訝?！?、

Vermeulen說(shuō)：“我們已經(jīng)明確排除了一些說(shuō)暗物質(zhì)具有某些性質(zhì)的理論。我們相信這些新技術(shù)具有在未來(lái)某個(gè)時(shí)候發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的真正潛力?！?/p>

來(lái)源 Direct limits for scalar field dark matter from agravitational-wave detector, Nature (2021). DOI:10.1038/s41586-021-04031-y