來自Cardiff 大學的科學家將引力波激光探測儀(yi) 用於(yu) 探索暗物質。

宇宙中的奧秘總是如此神秘又令人費解。科學家們(men) 一直致力於(yu) 宇宙中的引力波探測，而科學家們(men) 相信，現有的引力波技術有真正的潛力最終發現一種奇異的物質，甚至找到它的組成部分。

這種被稱為(wei) 的暗物質的東(dong) 西，一直被認為(wei) 約占宇宙中所有物質的85%，但從(cong) 未被直接觀測到，它仍然是現代物理學中最大的未解之謎之一。

圖1 使用改進的LPSD技術，將頻率箱調諧到預期暗物質線寬，從(cong) 而產(chan) 生典型的振幅譜。黑線表示振幅譜。在每個(ge) 頻率單元處從(cong) 相鄰單元估計噪聲譜，以產(chan) 生局部噪聲中值（藍色）和95%置信水平（CL，綠色）。高於(yu) 該置信水平的峰值（紅色）被視為(wei) 暗物質信號的候選，並進一步分析。來源：DOI: 10.1038/s41586-021-04031-y

最近的一種理論認為(wei) 暗物質實際上是一種稱為(wei) 標量場的物質，它的行為(wei) 就像圍繞著星係（包括我們(men) 自己的銀河係）反彈的不可見波。

發表在《Nature》雜誌上的一項研究中，由Cardiff 大學重力探索研究所的科學家領導的一個(ge) 團隊朝著這個(ge) 目標邁出了第一步，他們(men) 使用了被稱為(wei) 激光幹涉儀(yi) 的儀(yi) 器，首次尋找一種新的暗物質。

圖2對於(yu) 基本標量場景中的標量場暗物質，耦合參數Λγ和Λe作為(wei) 場曼n質量的函數的約束。

發起此次調查的Cardiff 大學重力勘探研究所的Hartmut Grote教授說：“我們(men) 意識到，我們(men) 的儀(yi) 器可以用來尋找這種新型暗物質，盡管它們(men) 最初是為(wei) 探測引力波而設計的。”。

在激光幹涉儀(yi) 中，兩(liang) 束光在反射鏡之間反彈，然後在探測器上會(hui) 合。由此，科學家可以非常精確地測量光束之間的不同步程度，這本身就是光束遇到任何幹擾的代表。

圖3對於(yu) 標量場暗物質，如在膨脹/模量場景和弛豫暈場景中的耦合參數Λγ和Λe作為(wei) 場曼n質量的函數的約束。

激光幹涉儀(yi) 引力波觀測台（LIGO）由位於(yu) 美國的兩(liang) 台幹涉儀(yi) 組成，每台幹涉儀(yi) 有兩(liang) 個(ge) 4公裏長的臂，臂呈“L”形排列，2015年第一次用於(yu) 探測引力波，此後多次用於(yu) 探測引力波。

Grote於(yu) 2009年至2017年擔任英國和德國在德國的GEO600探測器的首席科學家，這是另一個(ge) 高靈敏度幹涉儀(yi) ，用於(yu) 開發探測引力波所需的許多技術。

圖4 藝術家對黑洞的印象。來源：NASA

在這項研究中，GE0600探測器首次被用於(yu) 專(zhuan) 門尋找暗物質。

“標量場暗物質波會(hui) 直接穿過地球，到達儀(yi) 器，但當它們(men) 這樣做時，會(hui) 導致像鏡子這樣的物體(ti) 輕微振動。”首席研究員Sander Vermeulen說，他也是Cardiff大學重力勘探研究所的成員。

“反射鏡的振動會(hui) 以暗物質特有的方式幹擾GEO600或LIGO探測器等儀(yi) 器中的光束，這是我們(men) 應該能夠檢測到的，這取決(jue) 於(yu) 暗物質的確切性質。”

盡管暗物質從(cong) 未被直接探測到，但科學家們(men) 懷疑它的存在是因為(wei) 它對宇宙中的物體(ti) 產(chan) 生了引力效應。例如，大量看不見的物質可以解釋為(wei) 什麽(me) 星係會(hui) 這樣旋轉，以及它們(men) 最初是如何形成的。

雖然研究小組在這項新的研究中沒有成功地進行任何類型的探測，但他們(men) 表示，在將這項技術引入暗物質搜索方麵，他們(men) 正在邁出重要的第一步，並且已經在縮小未來研究的某些參數方麵取得了進展。

Grote教授繼續說道：“當一種儀(yi) 器最初是為(wei) 了一個(ge) 完全不同的目的而建造的時候，它能如此靈敏地捕捉暗物質讓我感到驚訝。”、

Vermeulen說：“我們(men) 已經明確排除了一些說暗物質具有某些性質的理論。我們(men) 相信這些新技術具有在未來某個(ge) 時候發現暗物質的真正潛力。”

來源 Direct limits for scalar field dark matter from agravitational-wave detector, Nature (2021). DOI:10.1038/s41586-021-04031-y