几十年来，暗物质的性质一直困扰着科学家，但一项新的发展可能有助于在未来 15 年内解开这个谜团。
研究人员开发了一种“轴子准粒子”，它可能成为各种宇宙汽车收音机的基础，而这个“无线电”应该具有调谐轴子频率的能力。轴子是假设的粒子，是暗物质的主要候选者。
这个想法背后的团队表示，如果它被制造出来，该设备将成为迄今为止最精确的暗物质探测器。这使研究人员相信，暗物质的真正本质不会让科学家们躲避太久。
“为了检测轴子，我们需要调整它的频率。当我们这样做时，实验中的信号会'产生共鸣'并变得更强大，“伦敦国王学院的团队成员 David ”Doddy“ Marsh 告诉 Space.com。“我们不知道频率，所以我们需要不断调整并尝试不同的频率，比如当你到达另一个国家或长途驾驶时寻找一个好的广播电台。”
您正在收听暗物质 FM！科学家们在探测暗物质的努力中必须巧妙，因为尽管暗物质占宇宙中大约 85% 的物质，但它不与光相互作用——或者更准确地说，不与任何电磁辐射相互作用——因此我们实际上是看不见的。
因为构成恒星、行星、卫星、我们的身体和我们周围其他一切事物的原子的电子、质子和中子都与光相互作用，所以科学家们知道暗物质一定是其他东西。这激发了在粒子物理学标准模型的“粒子动物园”之外寻找粒子的探索。在 2012 年在大型强子对撞机 （LHC） 中发现希格斯玻色子完成标准模型后，重点真正转移到了该模型之外的假设粒子上。像轴子这样的粒子。
轴子目前被认为是寻找暗物质的主要候选者。它们是质量极小的微弱相互作用粒子，但仍然可以产生引力效应，使研究人员能够推断出粒子的存在。
随着希格斯玻色子的发现——并且没有其他新的粒子或暗物质候选者，如弱相互作用大质量粒子 （WIMP），出现在 LHC 等对撞机上——Marsh 解释说，许多其他人加入了轴子狩猎游戏。
“我于 2009 年开始攻读轴子博士学位，”他说。“在过去的十年里，我们有很多新的想法，这就是令人兴奋的原因。”
这让我们想到了 Marsh 及其同事介绍的最新进展。
用 'quasiparticles' 寻找轴子该团队暗物质探测器的基础是使用一种称为碲化锰铋的材料开发轴子准粒子。
科学家使用“准粒子”的概念来描述一组相互作用粒子的行为，就好像它们是单个粒子一样。例如，流经半导体的电子的特性可以描述为电子准粒子。
这种轴子准粒子的设计方式使其频率可以使用更大的轴子准粒子材料传输到太空中——这个频率有望与实际的轴子相匹配。
当探测器识别并“调谐”到该频率时，轴子准粒子会发出少量的光。
该实验在最高的太赫兹频率下运行，许多科学家理论上这是寻找轴子的最有希望的频率范围。
“这个实验将在其他方法会觉得困难的高频率下工作，如果我们幸运并且大自然将轴子置于我们的频率，那么我们就会找到它，”马什说。“这是一个很大的范围，但范围有限，我们有一些技术想法来寻找每个不同波段的轴子。但这是我们关注的更高、可能更有可能的范围。
Marsh 预测，到 2030 年，暗物质探测器的全面运行原型可能会启动并运行，研究人员还有 10 年的时间来做出积极的轴子探测。
“需要几年时间进行设计、筹集资金和构建一个全面的实验，这将花费数千万美元，”他继续说道。“那么我们认为我们至少需要 3 年时间来做实验本身。“当然，我们可以幸运地在第一个原型中探测到暗物质，但 15 年的时间对于用这种方法做所有可能的事情来说是一个大概。”
一个轴子统治他们所有人？即使该团队的方法成功探测到一个轴子，关于暗物质，仍有许多问题需要回答。例如，这个假设的粒子嫌疑可能不是单独行动的。
“我们需要弄清楚暗物质只是一件事还是很多东西。轴子可能有很多种类型，例如，我们有三种类型的中微子，每种类型都可能只占暗物质的一小部分，“马什说。“关于轴子在早期宇宙中究竟是如何产生的，或者它与哪些其他粒子耦合，也将存在悬而未决的问题。关于我们在'发现后'如何处理 axion，有一套成熟的想法，但从根本上说，这将是一个巨大的进步。
此外，轴子已被提议作为其他宇宙之谜的解决方案，但如果是这样的话，那也需要检测这些假设粒子的不同风格。例如，轴子可以解释为什么最近的结果表明暗能量的强度，即导致宇宙膨胀加速的奇怪力量，正在发生变化。
“一种类型的轴子可以解释暗能光谱仪 （DESI） 结果中看到的'动态暗能量';另一种类型是解释宇宙膨胀的一个很好的候选者，“马什解释说。“没有'一个轴子统治所有轴子'，你总是需要一个不同的轴子，不同的频率，用于每个问题。”
这一切都取决于这个轴子准粒子探测器的成功，但 Marsh 已经考虑了如果这个实验无法检测到轴子，或者它发现的轴子太稀少而无法完全解释暗物质，那么下一步会怎么做。“如果轴子只有暗物质的 10%，我们就不会在第一轮实验中找到它，我们不得不回到每个频率并更努力地寻找，”马什说。“我认为一旦你低于 10% 大关，轴子就可能存在，但它不会是'那个'暗物质。
“许多其他类型的轴子中的任何一种，在弦理论中可能是数百个，都可能是暗物质，其中一些更难找到——尽管我们正在寻找所有能找到的轴子。”
该团队的研究于周三（4 月 16 日）发表在《自然》杂志上。
