宇宙大部分由暗物質(zhì)和暗能量組成，但科學(xué)家們?nèi)匀徊恢肋@兩者到底是什么。新的超靈敏探測器正在建造中，旨在發(fā)現(xiàn)極其罕見的粒子相互作用，最終可能揭示其本質(zhì)。

科學(xué)家們在理解宇宙方面取得了顯著進(jìn)展，但大部分宇宙仍未被解釋。大約95%的存在物質(zhì)由暗物質(zhì)和暗能量組成，只有5%是我們能看到和觸摸到的熟悉物質(zhì)。德克薩斯農(nóng)工大學(xué)的實(shí)驗(yàn)粒子物理學(xué)家魯帕克·馬哈帕特拉教授正致力于通過制造依賴低溫量子傳感器的高度復(fù)雜的半導(dǎo)體探測器，探索這一未被發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)。這些儀器被用于全球各地的實(shí)驗(yàn)，旨在探究現(xiàn)代物理學(xué)中最深奧的問題之一。

馬哈帕特拉及其合作者最近在權(quán)威期刊《應(yīng)用物理快報(bào)》上發(fā)表了他們的研究成果。

藍(lán)寶石探測器既可用于暗物質(zhì)搜索，也可用于探測反應(yīng)堆中微子

理解暗物質(zhì)與暗能量

暗物質(zhì)和暗能量的名稱來源于科學(xué)家們至今仍不了解它們的構(gòu)成。暗物質(zhì)構(gòu)成了星系和星系團(tuán)中大部分質(zhì)量，在塑造其結(jié)構(gòu)跨越極遠(yuǎn)距離中扮演著核心角色。暗能量指的是導(dǎo)致宇宙加速膨脹的現(xiàn)象。簡單來說，暗物質(zhì)負(fù)責(zé)將宇宙結(jié)構(gòu)連接在一起，而暗能量則將它們分開。

盡管暗物質(zhì)主導(dǎo)宇宙，但它們既不發(fā)出、吸收也不反射光。這使得它們極難直接觀測。研究人員轉(zhuǎn)而研究它們通過引力的影響，引力影響星系的形成和運(yùn)動。暗能量是最大的組成部分，約占宇宙總能量的68%，暗物質(zhì)約占27%。普通物質(zhì)（原子、恒星、行星、氣體、我們自己）：約 5%。

安裝中的探測器

在颶風(fēng)中偵測耳語

在德州農(nóng)工大學(xué)，馬哈帕特拉的團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)具有非凡靈敏度的探測器。這些設(shè)備旨在記錄粒子與普通物質(zhì)極少相互作用的相互作用，這些相互作用可能為暗物質(zhì)的本質(zhì)提供重要線索。

“挑戰(zhàn)在于暗物質(zhì)相互作用極其微弱，我們需要能夠探測到可能一年一次，甚至十年一次的事件的探測器，”馬哈帕特拉說。

他的團(tuán)隊(duì)參與了利用被稱為TESSERACT的探測器進(jìn)行的全球暗物質(zhì)探索。“這關(guān)乎創(chuàng)新，”他說。“我們正在尋找方法放大之前被埋藏在噪聲中的信號。”

德克薩斯農(nóng)工大學(xué)是參與TESSERACT實(shí)驗(yàn)的少數(shù)院校之一。

科學(xué)家將半導(dǎo)體晶體拋光至人體頭發(fā)厚度1/100的平整度

突破檢測技術(shù)的極限

Mahapatra目前的工作建立在數(shù)十年推動粒子探測方法方面積累的經(jīng)驗(yàn)之上。過去25年，他一直參與SuperCDMS實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)迄今為止進(jìn)行了一些最靈敏的暗物質(zhì)搜索。

在2014年發(fā)表于《物理評論快報(bào)》的一項(xiàng)具有里程碑意義的論文中，馬哈帕特拉及其同事在SuperCDMS實(shí)驗(yàn)中引入了電壓輔助量熱電離檢測技術(shù)——這一突破使科學(xué)家能夠研究低質(zhì)量WIMPs，這是一種領(lǐng)先的暗物質(zhì)候選。這一創(chuàng)新極大地?cái)U(kuò)大了實(shí)驗(yàn)?zāi)芴綔y到的粒子范圍。

為TESSERACT項(xiàng)目設(shè)計(jì)的晶圓

2022年，Mahapatra合著了另一項(xiàng)研究，探討了多種尋找WIMP的方法，包括直接檢測、間接檢測和碰撞器搜索。研究強(qiáng)調(diào)了結(jié)合不同方法解決暗物質(zhì)問題的重要性。

“沒有單一實(shí)驗(yàn)?zāi)芙o我們所有答案，”摩訶帕特拉指出。“我們需要不同方法之間的協(xié)同效應(yīng)，才能拼湊出完整的畫面。”

理解暗物質(zhì)超越了學(xué)術(shù)好奇心。它可能對揭示支配宇宙的基本定律至關(guān)重要?！叭绻覀兡芴綔y到暗物質(zhì)，我們將開啟物理學(xué)的新篇章，”馬哈帕特拉說?！八褜ば枰獦O其敏感的感應(yīng)技術(shù)，可能帶來我們今天無法想象的技術(shù)?！?/p>

安裝在稀釋冰箱中的研發(fā)探測器

什么是WIMPs？

WIMP（弱相互作用大質(zhì)量粒子）是暗物質(zhì)理論上最有前景的候選者之一。這些假設(shè)粒子會通過引力和微弱的核力相互作用，這也解釋了為何探測它們?nèi)绱死щy。它們?yōu)槭裁此鼈兒苤匾喝绻鸚IMPs存在，它們可以解釋宇宙中缺失的質(zhì)量?？茖W(xué)家們的搜索方式：像SuperCDMS和TESSERACT這樣的實(shí)驗(yàn)使用冷卻至接近絕對零度的超靈敏探測器，捕捉WIMP與普通物質(zhì)之間的罕見相互作用?？茖W(xué)家面臨的挑戰(zhàn)是，WIMP可以穿過地球而不留下任何可探測信號，這意味著科學(xué)家可能需要數(shù)年的觀測才檢測到一個(gè)事件。