科学史上最大的谜团之一可能距离解答又近了一步。
宇宙中大约 80% 的物质是暗物质，也就是说，它们无法被看见。事实上，暗物质不断穿过我们——速度可能达到每秒数万亿个粒子。
我们知道它存在，因为我们可以看到它的引力效应，但迄今为止的实验还未能探测到它。
利用最先进的量子技术，兰卡斯特大学、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。
他们的公开展览题为“不可见宇宙的量子视图”，将于 2024 年 7 月 2 日至 7 日在英国皇家学会的旗舰夏季科学展览上展出。
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、来自牛津的 Jocelyn Monroe 教授和来自 RHUL 的 Andrew Casey 教授。
EPSRC 研究员 Autti 博士表示：“我们正在利用超低温量子技术建造迄今为止最灵敏的探测器。我们的目标是在实验室中直接观察这种神秘物质，并解决科学界最大的谜团之一。”
有间接观测证据表明该星系具有典型的暗物质密度，但其组成粒子的质量及其与普通原子的可能相互作用尚不清楚。
粒子物理理论提出了两种可能的暗物质候选者：相互作用非常弱的新粒子，我们还没有观察到它们;以及被称为轴子的极轻的波状粒子。该团队正在构建两个实验，分别用于搜索。
在这两种候选粒子中，相互作用极弱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发现取决于所寻找的暗物质的质量。到目前为止，大多数搜索都能够探测到比氢原子重 5 到 1,000 倍的暗物质粒子，但可能遗漏了更轻的暗物质候选粒子。
暗物质和宇宙学量子增强超流体技术 ( QUEST-DMC)团队的目标是实现对质量在 0.01 到几个氢原子之间的暗物质候选体的碰撞达到世界领先的灵敏度。为了实现这一目标，探测器由超流体氦-3 制成，冷却成宏观量子态，并配备超导量子放大器。将这两种量子技术结合起来，可以测量暗物质碰撞的极弱特征。
相比之下，如果暗物质是由轴子构成的，它们会非常轻——比氢原子轻十亿倍以上——但相应地也更丰富。科学家将无法检测到与轴子的碰撞，但他们可以寻找另一种信号——轴子在磁场中衰变时产生的电信号。这种效应只能使用极其灵敏的放大器来测量，该放大器以量子力学允许的最高精度工作。因此，隐藏部门量子传感器( QSHS ) 团队正在开发一种新型量子放大器，它非常适合搜索轴子信号。
今年展览的展台将为各年龄段的游客提供富有想象力的亲身体验展品，让他们能够观察到看不见的事物。
为展示如何通过观察星系推断暗物质，我们将展示一个盒内陀螺仪，由于看不见的角动量，它会以令人惊讶的方式移动。此外，还将展示在液体中透明的玻璃弹珠，展示如何通过巧妙的实验来观察看不见的物质。
点亮稀释制冷机将展示团队如何实现超低温，而模型暗物质粒子碰撞探测器将显示如果暗物质表现得像正常物质一样，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，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量放大器。
英国皇家学会院士、公众参与委员会主席宇宙学家卡洛斯·弗伦克表示：“科学对于我们了解我们所生活的世界至关重要——过去、现在和未来。我敦促所有年龄段的游客以开放的心态、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。”
本次展览中的研究得到了英国研究与创新署基础物理量子技术项目的支持。