该实验在特殊冰箱中比绝对零度高出约10000度;Autti博士（右）。图片来源：兰开斯特大学

科学最大的谜团之一可能离被解开又近了一步。宇宙中大约80%的物质是黑暗的，这意味着它无法被看到。事实上，暗物质正在不断地穿过我们——可能以每秒数万亿个粒子的速度。

我们知道它的存在，因为我们可以看到它的引力的影响，但迄今为止的实验未能检测到它。

利用最先进的量子技术，来自兰开斯特大学、牛津大学和伦敦大学皇家霍洛威学院的科学家正在建造迄今为止最灵敏的暗物质探测器。

他们题为“看不见的宇宙的量子视图”的公开展览将在今年2024年7月2日至7日举行的皇家学会旗舰夏季科学展上展出。相关研究也发表在《低温物理杂志》上。

研究人员包括来自兰开斯特的Michael Thompson博士，Edward Laird教授，Dmitry Zmeev博士和Samuli Autti博士，来自牛津大学的Jocelyn Monroe教授和来自RHUL的Andrew Casey教授。

EPSRC研究员Autti博士说：“我们正在超低温下使用量子技术来构建迄今为止最灵敏的探测器。目标是直接在实验室中观察这种神秘物质，并解决科学中最大的谜团之一。

有间接观测证据表明银河系中典型的暗物质密度，但组成粒子的质量及其与普通原子的可能相互作用是未知的。

粒子物理学理论提出了两种可能的暗物质候选者：相互作用非常微弱的新粒子，我们还没有观察到它们，以及非常轻的波状粒子，称为轴子。该团队正在构建两个实验，每个实验一个用于搜索。

在这两个候选者中，具有超弱相互作用的新粒子可以通过它们与普通物质的碰撞来探测。然而，这些碰撞能否在实验中被识别，取决于所搜索的暗物质的质量。到目前为止，大多数搜索都能够探测到比氢原子重5到1000倍的暗物质粒子，但有可能遗漏了更轻的暗物质候选者。

暗物质和宇宙学量子增强超流体技术（QUEST-DMC）团队旨在达到世界领先的灵敏度，以对抗质量在0.01到几个氢原子之间的暗物质候选者碰撞。为了实现这一点，探测器由超流体氦-3制成，冷却成宏观量子态，并用超导量子放大器进行仪器化。将这两种量子技术结合起来，可以提高测量暗物质碰撞极弱特征的灵敏度。

相比之下，如果暗物质是由轴子构成的，它们将非常轻——比氢原子轻十亿倍以上——但相应地更丰富。科学家无法探测到与轴子的碰撞，但他们可以寻找另一个特征——轴子在磁场中衰变时产生的电信号。

这种效应只能使用以量子力学允许的最高精度工作的精密灵敏放大器来测量。因此，隐藏扇区的量子传感器（QSHS）团队正在开发一种新型量子放大器，非常适合搜索轴子信号。

今年展览的展台将使参观者能够通过富有想象力的动手展品来观察看不见的东西，适合所有年龄段的人。

为了展示我们如何通过观察星系来推断暗物质，将有一个盒子里的陀螺仪，由于看不见的角动量，它以令人惊讶的方式移动。还将有在液体中透明的玻璃弹珠，展示了如何使用巧妙的实验来观察看不见的质量。

一个发光的稀释冰箱将展示该团队如何实现超低温，而一个模型暗物质粒子碰撞探测器将展示如果暗物质表现得像正常物质，我们的宇宙将如何表现。

然后，参观者可以通过扫描无线电接收器的频率，使用模型轴子探测器搜索暗物质，还可以使用摆锤创建自己的参数放大器。

英国皇家学会院士、公众参与委员会主席、宇宙学家卡洛斯·弗伦克（Carlos Frenk）说：“科学对于帮助我们了解我们生活的世界——过去、现在和未来——至关重要。我敦促所有年龄段的参观者都以开放的心态、好奇心和热情前来，庆祝造福我们所有人的令人难以置信的科学成就。

更多信息：S. Autti 等人，QUEST-DMC：超流体氦 3 辐射热计的背景建模和产生的热沉积，低温物理杂志 （2024）。DOI： 10.1007/s10909-024-03142-w