量子技术如何协助科学家解开暗物质之谜

经过近一个世纪的时间,暗物质首次被认为可以解释星系团移动过程，物理学家仍然不知道它是由什么组成的。

世界各地的研究人员建造了很多探测器，希望能够发现暗物质。作为一名研究生，我帮助设计和操作了其中一个探测器，该探测器被贴切地命名为HAYSTAC(耶鲁轴子冷暗物质灵敏光晕仪The Haloscope At Yale Sensitive To Axion Cold Dark Matter)。但尽管经过了几十年的实验努力，科学家们仍然没有找到暗物质粒子。

一个著名的理论认为，暗物质是由一种称为“轴子”的假想粒子组成的，它们的集体行为就像一种在宇宙中以非常特定的频率振荡的不可见波。轴子探测器——包括HAYSTAC——的工作原理类似于无线电接收器，但不是将无线电波转换为声波，他们的目标是将轴子波转换成电磁波。具体来说，轴子探测器测量两个称为电磁场（electromagnetic field quadratures）的量。这些是电磁波中两种不同的振荡。如果存在轴子，就会产生这种不同一般的振荡。

调谐收音机通常需要在每一次调谐时暂停几秒钟，看看是否找到了要找的电台。如果信号很弱而且有很多静电，那就更难了。轴子信号——即使在最灵敏的探测器中——与随机电磁波（物理学家称之为噪声）产生的静电相比，也会非常微弱。噪声越多，探测器在每个调谐步骤中就必须停留越久，才能监听轴子信号。

不幸的是，研究人员不能指望在收音机拨盘转动几十圈后就能听到轴子广播。调频收音机的调谐频率仅为88至108兆赫（1兆赫等于100万赫兹）。与之相比，轴子频率可能在300赫兹到3000亿赫兹之间。按照当今探测器的速度，找到轴子或证明轴子不存在可能需要超过一万年的时间。研究人员认为，这项发现有助于解释为什么宇宙中的物质在短时间内可以迅速分解，并且可以通过观察恒星的形状来推断它们的年龄。

（编辑：银川站长网）

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