探索暗物质：量子技术与解决太空最大谜团的探索
探索暗物质：量子技术与解决太空最大谜团的探索
暗物质是宇宙中最大的谜团之一，它占据了宇宙物质的80%，却始终未被直接观测到。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，以期直接观察和识别这种神秘物质。
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。
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利用最先进的量子技术建造迄今为止最灵敏的暗物质探测器。他们的研究项目包括两个团队：暗物质和宇宙学的量子增强超流体技术（QUEST-DMC）团队，以及隐藏扇区量子传感器（QSHS）团队。
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，另一种是被称为轴子的非常轻波状的粒子。
探测超弱相互作用粒子
对于具有超弱相互作用的新粒子，研究人员正在开发探测器以捕捉它们与普通物质的碰撞。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。
探测轴子
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，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。
公众科普活动
今年的皇家学会夏季科学展览上，研究团队将通过一系列互动展品向公众展示暗物质研究。其中包括：
- 盒子里的陀螺仪，展示暗物质对星系运动的影响
- 透明的液体玻璃弹珠，展示如何通过实验观察不可见物体
- 发光的稀释冰箱，展示超低温实验环境
- 暗物质粒子碰撞探测器模型
- 模型轴子探测器，让参观者通过扫描无线电接收器的频率来“搜索”暗物质
- 钟摆参数放大器的演示
英国皇家学会院士、公众参与委员会主席、宇宙学家卡洛斯·弗伦克表示：“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。”