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日前，据《物理评论快报》期刊报道，美国布朗大学的物理学家们发明了一种新的方法，可以直接探测暗物质。研究人员说，这一新方法旨在探测暗物质粒子和超流体氦之间的相互作用，其实验能探测到比目前任何大型实验所研究的粒子质量小得多的粒子。
“到目前为止，大多数大型暗物质探测实验寻找的都是一个质子十到一万倍质量的粒子，”物理学家德里克·斯坦说。“但在十倍质子质量以下区域内，这些实验开始丧失其灵敏度。我们想要做的是将实验的灵敏度提高三到四个数量级，以探索质量小得多暗物质粒子存在的可能性。”
但到目前为止，实验还没有发现这些粒子。布朗研究人员提出的探测策略会利用超流氦，实验方法的假设是，穿过的暗物质粒子，在非常罕见的情况下，会冲撞进入到氦原子的原子核中。这种碰撞会产生声子和旋子，它们会在超流体内部以不损毫动能的情况下进行传播。当这些激发态到达流体表面时，它们会导致氦原子被释放到表面上方的真空空间中。如果能探测到这些被释放的原子，就说明缸内已经发生了一次暗物质的相互作用。
“最后一点是棘手的部分。”马里斯指出，他也曾为其他类似太阳微子的粒子做过相仿的氦检测方案。一个低质量的暗物质粒子的碰撞可能导致的是只有一个原子从表面被释放出来。单个原子只能携带大约一毫电子伏特的能量，这么微弱的能量几乎是任何传统手段都无法检测得出的。新探测方案的新颖之处在于可以放大单原子微小的能量特征。
实验的原理是使用一组带正电荷的小金属针，在流体的表面上方真空中产生电场。“如果我们在这些小针上施加一万伏特的电压，上面飞出的离子就会带有一万伏特的电压。因此，这种电离特征就为我们提供了一种新的方法来探测单一的氦原子，它也就可能被认为与暗物质的相互作用有关。”马里斯解释道。
布朗团队认为，该实验设备对质量的敏感程度可以提高到两个电子质量，这比目前在大型暗物质实验中能探测到的粒子要小大约一千到一万倍。
“制造这样一个探测器的第一步是进行基本的实验，以更好地了解超流氦的内部情况以及电离方案精确的动态。以那些基本的实验为基础，我们将设计一个更大更完整的暗物质实验。”斯坦如是说。
参考文献： Humphrey J. Maris et al, Dark Matter Detection Using Helium Evaporation and Field Ionization, Physical Review Letters (2017). DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.181303
科界原创
编译：明逸 编辑：张梦 程建兰
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