科學(xué)家首次探測到極輕暗物質(zhì)粒子

科技日?qǐng)?bào)北京9月16日電 （記者張佳欣）由瑞士蘇黎世大學(xué)和以色列希伯來大學(xué)牽頭的研究團(tuán)隊(duì)在最新開展的QROCODILE實(shí)驗(yàn)中取得重要進(jìn)展，首次實(shí)現(xiàn)對(duì)極輕暗物質(zhì)粒子的探測，設(shè)備靈敏度達(dá)到迄今最先進(jìn)水平，為破解宇宙奧秘打開了新大門。相關(guān)論文15日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》雜志上。

暗物質(zhì)既不發(fā)光，也不吸收光，科學(xué)家只能通過引力效應(yīng)推測其存在。QROCODILE是“量子分辨優(yōu)化低能暗物質(zhì)冷卻天文臺(tái)”的縮寫，其核心器件是超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPD）。研究團(tuán)隊(duì)將這種原本用于量子光學(xué)的器件，創(chuàng)新性地應(yīng)用于暗物質(zhì)探測。它由極薄的硅化鎢微納線制成，并被冷卻至比絕對(duì)零度高0.1℃的溫度。在這種超導(dǎo)狀態(tài)下，電子會(huì)成對(duì)結(jié)合形成“庫珀對(duì)”，從而讓探測器對(duì)極其微弱的能量沉積異常敏感。

SNSPD在實(shí)驗(yàn)中既是暗物質(zhì)可能發(fā)生碰撞的“靶材料”，也是記錄能量釋放的“傳感器”。現(xiàn)階段，該探測器幾乎每天會(huì)記錄一次可疑信號(hào)，這些信號(hào)可能來自宇宙射線、天然放射性或其他效應(yīng)。

憑借這一技術(shù)，QROCODILE實(shí)現(xiàn)了低至0.11電子伏的探測靈敏度，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)粒子物理實(shí)驗(yàn)所能探測的能量尺度。這讓研究團(tuán)隊(duì)首次觸及輕暗物質(zhì)區(qū)間，其質(zhì)量是以往實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象質(zhì)量的數(shù)千分之一。在超過400小時(shí)的低溫運(yùn)行中，他們確實(shí)記錄到少量異常事件。盡管這些信號(hào)尚無法確認(rèn)是否來自暗物質(zhì)，但足以對(duì)其與電子、原子核的相互作用設(shè)定新上限。

這一實(shí)驗(yàn)的另一潛力在于：它或許能捕捉到入射信號(hào)的方向性。理論預(yù)測，由于地球在銀河系暗物質(zhì)暈中運(yùn)動(dòng)，暗物質(zhì)粒子應(yīng)當(dāng)主要來自特定方向。如果未來實(shí)驗(yàn)?zāi)軌騾^(qū)分入射方向，就有望分辨出真正的暗物質(zhì)信號(hào)，這是實(shí)現(xiàn)最終發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵一步。

研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在下一階段啟動(dòng)NILE QROCODILE項(xiàng)目。新實(shí)驗(yàn)將遷至地下，以屏蔽宇宙射線干擾，并擴(kuò)大探測器陣列規(guī)模。