面包设计的渲染图。“Hersheys Kiss”形结构将潜在的暗物质信号输送到左侧的铜色探测器。探测器足够紧凑，可以放在桌面上。图片来源：BREAD Collaboration

据预测，宇宙中大约80%的物质是所谓的“暗物质”，它不发射、反射或吸收光，因此无法使用常规实验技术直接探测到。

虽然暗物质的存在现在已经有据可查，但全世界的天体物理学家仍在试图设计有效的方法来探测它并确认其组成。

轴子探测宽带反射器实验（BREAD）是由芝加哥大学和费米加速器实验室的物理学家最近建立的一个研究项目，它引入了一种寻找浅暗物质候选者的新方法，包括暗光子和轴子。

在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表的一篇论文中概述了BREAD合作组织提出的方法，该方法需要使用同轴碟形天线来拾取与这些粒子相关的信号。

“我们知道我们周围有一种物质，它相互作用非常微弱，不会辐射，但我们不知道它是由什么制成的，”BREAD Collaboration的通讯作者Stefan Knirck告诉 Phys.org。

“在过去的几十年里，人们一直在努力寻找质量与质子相似的新的基本粒子，但收效甚微。因此，我们转向其他非常有动力的候选者：暗光子和轴子。

从理论上讲，暗光子和轴子比质子轻约1万亿倍，因此它们的探测将需要非常不同的技术。虽然BREAD的合作仍处于起步阶段，但它引入了一项新技术，旨在寻找这些较轻的颗粒。Knirck和他的同事最近研究的目的是在最初的小规模实验中开始测试这项技术。

“我们工作背后的想法是，如果轴子（或者在本文的情况下，暗光子）暗物质存在，它可以转化为金属壁上的光粒子（光子），”Knirck解释说。“光子垂直于墙壁发射。

“在BREAD中，外圆柱体对应于这堵墙。然后，所有这些光都聚焦到一个小点上，您可以在其中放置光探测器或天线来搜索信号。在BREAD中，内部泪滴形反射器和外部圆柱体的组合负责聚焦。

为了使装置对轴子暗物质敏感，BREAD合作还可以在未来版本的实验中添加一个平行于金属壁的磁场。新探测器的一个独特特点是它可以安装在非常大（m级）高场（多特斯拉）螺线管磁体中。

“在第一个实验中，我们专注于检测微波状态中的'光'，类似于你在家里加热食物时使用的微波，”Knirck说。“为此，我们在焦点处设计了一个定制的微波天线，并设计了一个非常灵敏的方案，可以看到天线接收到的最小功率。这利用了费米实验室正在进行的领先的量子电子学开发。

BREAD Collaboration 去年夏天收集了第一轮数据，特别是在 2023 年 6 月至 7 月期间。他们收集的数据包括天线在此期间拾取的热噪声以及放大带来的一些附加噪声。

“在这种噪声中，信号将是微小的过量，我们在分析中寻找，”Knirck说。“这类似于转动收音机上的频率旋钮：如果给定频率下没有电台，你会听到噪音，但当你慢慢将其调到电台时，你可以听到电台的信号开始主导噪音。

Knirck和他的合作者最近发表的论文概述了他们使用这种新探测器首次搜索暗光子的结果。虽然他们没有拾取任何相关信号，但他们的实验被发现对质量范围为44至52μeV（10.7-12.5 GHz）的暗光子信号功率的敏感度比以前提出的方法高约10,000倍。

“我们的工作展示了这一概念的潜力，并使我们能够扩大规模，使其在未来更加敏感，”Knirck说。“这促使我们继续开发这项技术，在更大范围的不同暗物质质量上具有更好的灵敏度。

BREAD合作组织希望他们新设计的方法将使他们能够探索最有动力的轴子模型，并可能导致它们的探测，这将是粒子天体物理学的巨大突破。

研究人员现在正在阿贡国家实验室的4T磁铁中进行实验，以揭示其对轴子状暗物质的敏感性。

“我们还在构建更多的原型，将这一概念与不同的尖端量子技术相结合，以对焦点处的单个光粒子敏感，”Knirck补充道。“在费米实验室，我们很快会收到一个更强大的磁铁，这将使我们的实验更加灵敏。

“长期目标是建立一个大规模的实验项目，在一个巨大的磁铁内设置~10m的规模，允许探索最有动力的模型。

更多信息：Stefan Knirck 等人，使用同轴碟形天线在 44 至 52 μeV 范围内对暗光子暗物质进行宽带搜索的首次结果，物理评论快报 （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.132.131004

期刊信息： Physical Review Letters