探索暗物質領域的全球合作

來自美因茨約翰內斯-古騰堡大學（JGU）和美因茨亥姆霍茲研究所（HIM）合作的PRISMA+Cluster of Excellence項目的國際研究小組首次公佈了關於使用全球光學磁強計網絡尋找暗物質的整合數據。根據科學家們的分析，暗物質場會產生具有某種特徵性的信號，GNOME網絡的不同站點可以通過相關檢測探測到此信號。研究人員分析了來自GNOME連續運行一個月的數據，仍未得到相應結果。但他們在發表於《自然·物理學》（Nature Physics）雜誌的彙報中指出，該測量結果可以得出關於暗物質特性的限制條件。

GNOME由多國合作建成，磁強計分別分佈在德國、塞爾維亞、波蘭、以色列、韓國、中國、澳大利亞和美國等世界各國。研究人員非常希望能通過GNOME項目推動對21世紀基礎物理學中最令人激動的挑戰，即暗物質的搜索工作。畢竟，人們很早就知道，暗物質能夠解釋很多令人困惑的天文觀測結果，如星系中恆星的旋轉速度或宇宙背景輻射的光譜等問題。

超輕玻色子粒子被認爲是當今最有希望的暗物質的候選者之一。其中包括類軸子粒子，簡稱ALP。在PRISMA+和HIM（HIM是美因茨約翰內斯-古騰堡大學和達姆施塔特的GSI亥姆霍次重粒子研究所的聯合研究所）兼任的Dmitry Budker教授認爲，這些軸子類粒子也可以被看作是以一定頻率振盪的經典場。根據可能的理論場景，這種波色子場的一個特點是，可以形成物質的某些模式和結構。因此，暗物質的密度可以集中於諸多不同的區域，如離散分佈成比星系小卻遠比地球大的“（粒子）牆”。

這種類軸子的“牆”若是抵達地球后會在磁力計中產生瞬時的特徵信號，那麼GNOME網絡就可以逐漸探測到該信號。該研究的參與者之一 Arne Wickenbrock博士認爲，這些信號在某些方面存在關聯性，關聯關係取決於“牆”的移動速度以及它到達每個探測點的時間。

該網絡由分佈在全球8個國家的14個磁強計組成。其中的9個強磁計已爲目前的研究提供了數據。測量原理則是基於暗物質與磁強計中原子的核自旋可以發生相互作用。當原子被一個特定頻率的激光激發時，其原子核的自旋則會朝向某個特定方向。而潛在的暗物質場可以干擾這個方向，這樣便可以測量到暗物質粒子產生的信號。

Budker小組的Hector MasiaRoig博士做了一個形象的比喻：人們可以把最初在磁強計中的原子想象成在混亂中舞蹈，當它們“捕獲到”正確頻率的激光時，就會一起旋轉。而暗物質粒子可以使跳舞的原子失去平衡。這種擾動可以被精確地測量到。磁強計網絡在之中扮演着十分重要的角色：當一定範圍的暗物質牆穿過地球時，地球上所有探測點中“跳舞”原子則都會逐漸受到干擾。比如，網絡中其中一個站點位於美因茨的亥姆霍茲研究所的一個實驗室裡。Hector Masia-Roig指出：“只有當我們匹配了所有站點的信號後，才能評估是什麼觸發了干擾。”對於一幅由跳舞的“原子”構成的圖像而言，比較所有站點的測量結果，我們可以判斷出這是一個“勇敢的舞者”的出挑還是源於暗物質“牆”的干擾。

在現階段的研究中，研究小組分析了GNOME連續運行一個月的數據。結果發現，在從一個飛電子伏特（feV）到100,000feV的調查範圍內沒有出現統計學意義上的信號。相反，對比以往的結果，研究人員則可以縮小發現該信號的理論範圍。即使正如另一位博士生Joseph Smiga所言：“儘管我們還不能用全球環形搜索來探測這樣的區域暗物質‘牆’，但這對於探測離散暗物質‘牆’的方案而言則是一個重要的結果。”

未來GNOME的合作工作將集中於改進磁力計性能以及數據分析，特別是讓其運行變得更加連續和穩定。這一點對於持續可靠地搜索時間超過一小時的信號來說至關重要。此外，人們將把磁強計中的鹼原子替代爲惰性氣體原子。研究人員預計這將使未來在搜索暗物質方面的測量靈敏度大大增加。