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HAYSTAC 實(shí)驗(yàn)示意圖。圖片來源：Steven Burrows

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來源 University of Colorado at Boulder

翻譯 阿金

審校 戚譯引

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近一百年來，科學(xué)家不懈努力，以解開暗物質(zhì)之謎。暗物質(zhì)是一種讓人難以捉摸的物質(zhì)，它遍布宇宙，并且可能構(gòu)成了宇宙大部分的質(zhì)量。但迄今為止，人們都無法在實(shí)驗(yàn)中檢測到暗物質(zhì)。

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該研究成果發(fā)表在《自然》（Nature）雜志上，其核心是一種質(zhì)量極小，尚未在實(shí)驗(yàn)中觀測到的粒子——軸子（axion）。根據(jù)理論，軸子的大小可能只有電子的幾十億分之一，甚至幾萬億分之一，這些粒子可能在大爆炸時(shí)大量產(chǎn)生，足以解釋暗物質(zhì)的存在。然而要找到這一潛在粒子，就好比大海撈針一樣難。

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但是或許還有一絲希望。研究人員基于耶魯大學(xué)一項(xiàng)名為“耶魯軸子冷暗物質(zhì)靈敏潛望鏡”（Haloscope at Yale Sensitive To Axion Cold Dark Matter，簡稱 HAYSTAC）的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，報(bào)告他們已經(jīng)提升了搜尋效率，并克服了熱動(dòng)力學(xué)法則制造的障礙。該團(tuán)隊(duì)成員包括 JILA 的科學(xué)家，JILA 項(xiàng)目是科羅拉多大學(xué)博爾德分校（University of Colorago Boulder）和美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（National Institute of Standards and Technology，簡稱 NIST）的聯(lián)合項(xiàng)目。

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“我們現(xiàn)在的搜尋速度是之前所能達(dá)到的兩倍?！毙抡撐牡膬擅饕髡咧?Kelly Backes 說道，她是耶魯大學(xué)的研究生。

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新方法有助于研究人員更好地分離出軸子微乎其微的信號(hào)，這些信號(hào)可能存在于自然界極小范圍的隨機(jī)噪聲中，有時(shí)稱為量子漲落（quantum fluctuation）。論文合作者、JILA 項(xiàng)目中 NIST 的成員 Konrad Lehnert 表示，在接下來的幾年內(nèi)，團(tuán)隊(duì)成功找到軸子的幾率仍然跟中彩票一樣小，但這樣的幾率以后只會(huì)越來越大。

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“一旦找到了解決量子漲落問題的辦法，之后的道路只會(huì)越來越寬闊?！盠ehnert 補(bǔ)充說，他還是科羅拉多大學(xué)博爾德分校物理系教授。

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HAYSTAC 由耶魯大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)，同時(shí)也與 JILA 項(xiàng)目以及加州大學(xué)伯克利分校（Universtiy of California, Berkeley）合作。

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量子法則

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Daniel Palken 是新論文的共同第一作者（co-first author），他解釋說軸子蹤跡難覓，因?yàn)樗|(zhì)量輕巧，既不帶電荷，也幾乎從不與其他普通物質(zhì)相互作用，但這也讓其成為理想的暗物質(zhì)候選粒子。

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Palken 解釋說：“這種粒子幾乎沒有任何易于檢測的特性?！彼?2020 年在 JILA 項(xiàng)目組獲得了博士學(xué)位。

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但是我們?nèi)匀挥幸痪€希望：如果軸子穿過足夠強(qiáng)大的磁場，那么就只有一小部分可能會(huì)轉(zhuǎn)變成光波，這便是科學(xué)家能夠檢測到的東西。研究人員已經(jīng)展開嘗試，希望在太空強(qiáng)磁場中發(fā)現(xiàn)類似的微弱信號(hào)。不過，HAYSTAC 實(shí)驗(yàn)仍立足于地球表面，腳踏實(shí)地進(jìn)行著。

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2017 年，該項(xiàng)目發(fā)表了第一篇研究成果，研究人員使用耶魯大學(xué)的超冷設(shè)備，制造出強(qiáng)大磁場，試圖檢測轉(zhuǎn)變?yōu)楣獾妮S子信號(hào)。這種搜尋并不容易?？茖W(xué)家已經(jīng)預(yù)測過，軸子的理論質(zhì)量范圍極其廣泛，因而在像 HAYSTAC 這樣的實(shí)驗(yàn)中，每一個(gè)軸子都能產(chǎn)生不同頻率的光信號(hào)。為了發(fā)現(xiàn)真正的粒子，研究團(tuán)隊(duì)不得不在大范圍的可能結(jié)果中來回搜尋，就像調(diào)試廣播信號(hào)一樣，找出那一個(gè)信號(hào)微弱的電臺(tái)。

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“如果你不停搜尋這些真正微弱的信號(hào)，可能最終要花上幾千年的時(shí)間?！盤alken 說。

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團(tuán)隊(duì)目前面臨的最大障礙正是量子力學(xué)法則本身，具體來說，就是海森堡不確定性原理（Heisenberg Uncertainty Principle），它限制了科學(xué)家在粒子觀測中所能達(dá)到的精確度。在這一研究中，該原理使得研究人員無法同時(shí)精確測量軸子產(chǎn)生的光的兩種不同特性。

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然而，HAYSTAC 團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開辟了新道路，越過那些牢不可破的量子法則。

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轉(zhuǎn)移不確定性

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關(guān)鍵技巧在于運(yùn)用名為約瑟夫森參量放大器（Josephson parametric amplifier）的工具。JILA 的科學(xué)家想出辦法，用這些小型設(shè)備“壓縮”HAYSTAC 實(shí)驗(yàn)獲得的光。

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Palken 解釋說，HAYSTAC 團(tuán)隊(duì)不需要精確檢測兩種光波的特性，只檢測其中一種即可。而壓縮的優(yōu)勢就是將不確定性從一方變量轉(zhuǎn)移到另一方。

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“壓縮正是操控量子力學(xué)真空的好辦法，讓我們能夠完美測量一種變量，”Palken 說，“如果嘗試測量另一變量，我們獲得的精確度就會(huì)非常非常低?！?/p>

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研究人員為了測試自己的方法，在耶魯大學(xué)展開了一次試驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)，在一定質(zhì)量范圍內(nèi)尋找粒子。他們最終沒有找到，但是實(shí)驗(yàn)所耗費(fèi)的時(shí)間比往常縮短了一半，Backes 說。

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“我們跑了 100 天的數(shù)據(jù)，”她說，“而在一般情況下，我們本來需要 200 天來完成這一輪運(yùn)行，所以最終節(jié)省了近 4 個(gè)月的時(shí)間，這一結(jié)果相當(dāng)驚人?！?/p>

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Lehnert 補(bǔ)充說，團(tuán)隊(duì)努力將這些邊界推得更遠(yuǎn)，積極鉆研新方法，挖掘出那根難以搜尋的“針”。

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“在發(fā)揮這個(gè)想法的優(yōu)勢方面，我們還有很大的提升空間，”他總結(jié)道。

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原文鏈接:?

https://eurekalert.org/pub_releases/2021-02/uoca-sdn020821.php?

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