科學家用新的超靈敏探測器，以揭示不可見的宇宙

宇宙大部分由暗物質和暗能量組成，但科學家們仍然不知道這兩者到底是什么。新的超靈敏探測器正在建造中，旨在發現極其罕見的粒子相互作用，最終可能揭示其本質。

科學家們在理解宇宙方面取得了顯著進展，但大部分宇宙仍未被解釋。大約95%的存在物質由暗物質和暗能量組成，只有5%是我們能看到和觸摸到的熟悉物質。德克薩斯農工大學的實驗粒子物理學家魯帕克·馬哈帕特拉教授正致力于通過制造依賴低溫量子傳感器的高度復雜的半導體探測器，探索這一未被發現的大多數。這些儀器被用于全球各地的實驗，旨在探究現代物理學中最深奧的問題之一。

馬哈帕特拉及其合作者最近在權威期刊《應用物理快報》上發表了他們的研究成果。

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理解暗物質與暗能量

暗物質和暗能量的名稱來源于科學家們至今仍不了解它們的構成。暗物質構成了星系和星系團中大部分質量，在塑造其結構跨越極遠距離中扮演著核心角色。暗能量指的是導致宇宙加速膨脹的現象。簡單來說，暗物質負責將宇宙結構連接在一起，而暗能量則將它們分開。

盡管暗物質主導宇宙，但它們既不發出、吸收也不反射光。這使得它們極難直接觀測。研究人員轉而研究它們通過引力的影響，引力影響星系的形成和運動。暗能量是最大的組成部分，約占宇宙總能量的68%，暗物質約占27%。普通物質（原子、恒星、行星、氣體、我們自己）：約 5%。

安裝中的探測器

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在德州農工大學，馬哈帕特拉的團隊正在開發具有非凡靈敏度的探測器。這些設備旨在記錄粒子與普通物質極少相互作用的相互作用，這些相互作用可能為暗物質的本質提供重要線索。

“挑戰在于暗物質相互作用極其微弱，我們需要能夠探測到可能一年一次，甚至十年一次的事件的探測器，”馬哈帕特拉說。

他的團隊參與了利用被稱為TESSERACT的探測器進行的全球暗物質探索。“這關乎創新，”他說。“我們正在尋找方法放大之前被埋藏在噪聲中的信號。”

德克薩斯農工大學是參與TESSERACT實驗的少數院校之一。

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突破檢測技術的極限

Mahapatra目前的工作建立在數十年推動粒子探測方法方面積累的經驗之上。過去25年，他一直參與SuperCDMS實驗，該實驗迄今為止進行了一些最靈敏的暗物質搜索。

在2014年發表于《物理評論快報》的一項具有里程碑意義的論文中，馬哈帕特拉及其同事在SuperCDMS實驗中引入了電壓輔助量熱電離檢測技術——這一突破使科學家能夠研究低質量WIMPs，這是一種領先的暗物質候選。這一創新極大地擴大了實驗能探測到的粒子范圍。

為TESSERACT項目設計的晶圓

2022年，Mahapatra合著了另一項研究，探討了多種尋找WIMP的方法，包括直接檢測、間接檢測和碰撞器搜索。研究強調了結合不同方法解決暗物質問題的重要性。

“沒有單一實驗能給我們所有答案，”摩訶帕特拉指出。“我們需要不同方法之間的協同效應，才能拼湊出完整的畫面。”

理解暗物質超越了學術好奇心。它可能對揭示支配宇宙的基本定律至關重要。“如果我們能探測到暗物質，我們將開啟物理學的新篇章，”馬哈帕特拉說。“搜尋需要極其敏感的感應技術，可能帶來我們今天無法想象的技術。”

安裝在稀釋冰箱中的研發探測器

什么是WIMPs？

WIMP（弱相互作用大質量粒子）是暗物質理論上最有前景的候選者之一。這些假設粒子會通過引力和微弱的核力相互作用，這也解釋了為何探測它們如此困難。它們為什么它們很重要：如果WIMPs存在，它們可以解釋宇宙中缺失的質量。科學家們的搜索方式：像SuperCDMS和TESSERACT這樣的實驗使用冷卻至接近絕對零度的超靈敏探測器，捕捉WIMP與普通物質之間的罕見相互作用。科學家面臨的挑戰是，WIMP可以穿過地球而不留下任何可探測信號，這意味著科學家可能需要數年的觀測才檢測到一個事件。