HAYSTAC 實驗示意圖。圖片來源：Steven Burrows

來源 University of Colorado at Boulder

翻譯 阿金

審校 戚譯引

近一百年來，科學家不懈努力，以解開暗物質之謎。暗物質是一種讓人難以捉摸的物質，它遍布宇宙，並且可能構成了宇宙大部分的質量。但迄今為(wei) 止，人們(men) 都無法在實驗中檢測到暗物質。

該研究成果發表在《自然》（Nature）雜誌上，其核心是一種質量極小，尚未在實驗中觀測到的粒子——軸子（axion）。根據理論，軸子的大小可能隻有電子的幾十億(yi) 分之一，甚至幾萬(wan) 億(yi) 分之一，這些粒子可能在大爆炸時大量產(chan) 生，足以解釋暗物質的存在。然而要找到這一潛在粒子，就好比大海撈針一樣難。

但是或許還有一絲(si) 希望。研究人員基於(yu) 耶魯大學一項名為(wei) “耶魯軸子冷暗物質靈敏潛望鏡”（Haloscope at Yale Sensitive To Axion Cold Dark Matter，簡稱 HAYSTAC）的實驗項目，報告他們(men) 已經提升了搜尋效率，並克服了熱動力學法則製造的障礙。該團隊成員包括 JILA 的科學家，JILA 項目是科羅拉多大學博爾德分校（University of Colorago Boulder）和美國國家標準技術研究所（National Institute of Standards and Technology，簡稱 NIST）的聯合項目。

“我們(men) 現在的搜尋速度是之前所能達到的兩(liang) 倍。”新論文的兩(liang) 名主要作者之一 Kelly Backes 說道，她是耶魯大學的研究生。

新方法有助於(yu) 研究人員更好地分離出軸子微乎其微的信號，這些信號可能存在於(yu) 自然界極小範圍的隨機噪聲中，有時稱為(wei) 量子漲落（quantum fluctuation）。論文合作者、JILA 項目中 NIST 的成員 Konrad Lehnert 表示，在接下來的幾年內(nei) ，團隊成功找到軸子的幾率仍然跟中彩票一樣小，但這樣的幾率以後隻會(hui) 越來越大。

“一旦找到了解決(jue) 量子漲落問題的辦法，之後的道路隻會(hui) 越來越寬闊。”Lehnert 補充說，他還是科羅拉多大學博爾德分校物理係教授。

HAYSTAC 由耶魯大學領導，同時也與(yu) JILA 項目以及加州大學伯克利分校（Universtiy of California, Berkeley）合作。

量子法則

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，因為(wei) 它質量輕巧，既不帶電荷，也幾乎從(cong) 不與(yu) 其他普通物質相互作用，但這也讓其成為(wei) 理想的暗物質候選粒子。

Palken 解釋說：“這種粒子幾乎沒有任何易於(yu) 檢測的特性。”他於(yu) 2020 年在 JILA 項目組獲得了博士學位。

但是我們(men) 仍然有一線希望：如果軸子穿過足夠強大的磁場，那麽(me) 就隻有一小部分可能會(hui) 轉變成光波，這便是科學家能夠檢測到的東(dong) 西。研究人員已經展開嚐試，希望在太空強磁場中發現類似的微弱信號。不過，HAYSTAC 實驗仍立足於(yu) 地球表麵，腳踏實地進行著。

2017 年，該項目發表了第一篇研究成果，研究人員使用耶魯大學的超冷設備，製造出強大磁場，試圖檢測轉變為(wei) 光的軸子信號。這種搜尋並不容易。科學家已經預測過，軸子的理論質量範圍極其廣泛，因而在像 HAYSTAC 這樣的實驗中，每一個(ge) 軸子都能產(chan) 生不同頻率的光信號。為(wei) 了發現真正的粒子，研究團隊不得不在大範圍的可能結果中來回搜尋，就像調試廣播信號一樣，找出那一個(ge) 信號微弱的電台。

“如果你不停搜尋這些真正微弱的信號，可能最終要花上幾千年的時間。”Palken 說。

團隊目前麵臨(lin) 的最大障礙正是量子力學法則本身，具體(ti) 來說，就是海森堡不確定性原理（Heisenberg Uncertainty Principle），它限製了科學家在粒子觀測中所能達到的精確度。在這一研究中，該原理使得研究人員無法同時精確測量軸子產(chan) 生的光的兩(liang) 種不同特性。

然而，HAYSTAC 團隊已經開辟了新道路，越過那些牢不可破的量子法則。

轉移不確定性

關(guan) 鍵技巧在於(yu) 運用名為(wei) 約瑟夫森參量放大器（Josephson parametric amplifier）的工具。JILA 的科學家想出辦法，用這些小型設備“壓縮”HAYSTAC 實驗獲得的光。

Palken 解釋說，HAYSTAC 團隊不需要精確檢測兩(liang) 種光波的特性，隻檢測其中一種即可。而壓縮的優(you) 勢就是將不確定性從(cong) 一方變量轉移到另一方。

“壓縮正是操控量子力學真空的好辦法，讓我們(men) 能夠完美測量一種變量，”Palken 說，“如果嚐試測量另一變量，我們(men) 獲得的精確度就會(hui) 非常非常低。”

研究人員為(wei) 了測試自己的方法，在耶魯大學展開了一次試驗性實驗，在一定質量範圍內(nei) 尋找粒子。他們(men) 最終沒有找到，但是實驗所耗費的時間比往常縮短了一半，Backes 說。

“我們(men) 跑了 100 天的數據，”她說，“而在一般情況下，我們(men) 本來需要 200 天來完成這一輪運行，所以最終節省了近 4 個(ge) 月的時間，這一結果相當驚人。”

Lehnert 補充說，團隊努力將這些邊界推得更遠，積極鑽研新方法，挖掘出那根難以搜尋的“針”。

“在發揮這個(ge) 想法的優(you) 勢方麵，我們(men) 還有很大的提升空間，”他總結道。

原文鏈接: 

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

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