研究人员提议,一个比美国历史还久的实验现代化版本,可能成为有史以来最敏感的暗物质探测器。卡文迪许扭秤最初设计用于通过测量铅球之间的引力来称量地球,现在可能被重新用于寻找轴子(可能解释暗物质是什么的假想粒子)。核心思想利用了共振:如果你将一个悬挂摆的振动频率调整到与轴子场穿过我们星球时产生的频率完全一致,信号就会被放大到可检测的水平。将打碎酒杯的同样物理原理应用于宇宙学最难的问题之一。 时机很重要,因为传统的暗物质搜寻已经遇到瓶颈。华盛顿大学的ADMX(轴子暗物质实验)使用超导磁体和微波腔,冷却到接近绝对零度,在强磁场内将假想的轴子转化为光子。这些装置建造成本数千万,并需要不断的低温维护。经过数十年的运行,他们只扫描了轴子质量范围的狭窄切片,没有确认的检测。扭秤方法通过引力耦合而非电磁转换来捕捉相同的粒子,这是一个完全不同的探测渠道,可能在腔实验空手而归的地方奏效。 声称的灵敏度优势(在某些质量范围内比现有仪器高出一万倍)听起来非凡,但它附带巨大的限制条件。这一预测假设你可以隔离摆锤于每一个想象得到的机械噪声源。半英里外行驶的卡车会产生振动,耦合到悬挂光纤中。随着温度变化百分之一度的实验室墙壁的热膨胀产生的力矩信号比轴子产生的还大。即使是接近设备的人产生的引力也会产生可检测的效果。原始的卡文迪许实验耗时数周才能进行一次测量,因为环境噪声如此占主导地位。暗物质版本需要更好几个数量级的隔离。 这一提议之所以有趣在于其成本效益计算。当前的轴子探测器需要无法从货架上买到的基础设施:定制的超导磁体、稀释冰箱、数公里的专用电缆。一个扭秤需要精密加工、真空室和振动隔离(昂贵,但在大学物理系的能力范围内,而非国家实验室联盟的能力范围内)。如果灵敏度声明能在工作原型中成立,你可以花费不到一台ADMX规模设施成本部署多个调谐到不同轴子质量范围的仪器。这是资金委员会会感兴趣的经济学,尤其是在更昂贵的方法多年来没有结果之后。 物理学界曾多次经历过大胆的灵敏度宣称,在实际建造探测器后消失。热噪声设定了一个硬限:任何温度超过绝对零度,原子随机振动,而且这些振动淹没微弱信号。将宏观机械系统冷却到低温引入了新问题(材料的差异收缩、低温剂的沸腾、泵和加热器的电磁干扰)。该建议尚未描述如何克服这些实际障碍。没有报告原型,也没有对预测灵敏度的实验验证。现在只是理论练习,还不是工程现实。
🔬 science
18世纪物理学技巧可能让价值数十亿美元的暗物质搜寻尴尬
一些物理学家认为,亨利·卡文迪许于1797年设计的扭秤(基本上是放在棍子上的铅球)可能比采用超导磁体和液态氦的设施更能捕捉到暗物质。关键是:这可能只需我们已经花费的一小部分费用,而且效果好一万倍。
我的看法
暗物质社区已经花费数十亿美元建造越来越大的探测器,但总是一无所获,现在有人说也许我们应该尝试1797年物理学等效的吉他调音器。要么是精妙的侧向思维,要么是壮观的幻想,而我认为这介于两者之间。共振放大物理是可靠的(这部分是教科书),但声称你可以足够隔离一个摆锤以看到轴子力矩,而埋在山下的WIMPs探测器什么都看不到,这正在做大量工作。 令我困扰的是,在尚未建造出一个运行原型之前就用成本论点来推销这个方案。是的,超导磁体昂贵。是的,稀释冰箱昂贵。但你知道什么也昂贵吗?花五年时间工程一个振动隔离系统,仍然无法战胜热噪声,然后发表一篇论文解释为什么一万倍灵敏度声明乐观了四个数量级。暗物质探测的历史上充满了在纸上完美运作但在实验室中失败得很惨的聪明想法。 尽管如此,如果有人真的建成这个东西,并且它的效果哪怕只是预测的10%,那将是十年来物理学最大的颠覆。考虑到我们认真考虑18世纪的仪器可能优于21世纪的粒子探测器,这表明这一领域对新方法的渴望有多强烈。有时突破来自于倒退一步。
接下来会发生什么
必须有人真的建立这个东西,这就是提议要么成为革命性要么加入聪明却失败的探测方案坟墓的地方。预计在两年内尝试原型,可能在已经有地下空间和振动隔离基础设施的设施中(如意大利的Gran Sasso或加拿大的SNOLAB,这些都是为中微子实验建造的)。第一代仪器不会达到宣称的一万倍灵敏度,因为没有人能在第一次尝试中做到这一点,但如果它战胜了热噪声预测并证明了测试信号的实际共振放大,在18个月内随之而来的就是全尺度探测器的资金。 更有趣的情景:如果它工作得足够好以排除大块的轴子参数空间且找不到任何东西?这一结果可能比检测更有价值,因为它将迫使理论家要么放弃轴子作为暗物质候选者,要么修正他们的模型,使其对其他实验产生可测试的预测。现在轴子质量范围如此广泛,以至于腔体搜索的负面结果几乎不能限制理论。一种可以扫描质量范围而腔体实验无法触及的扭秤要么找到某物,要么扼杀掉整个理论前景的分支。 无人讨论的可能性:如果隔离系统如预测的那样有效,扭秤可能成为任何与重力耦合或产生振荡场的通用超灵敏探测器。这意味着超出暗物质的应用(当前干涉仪达不到频率的引力波检测,寻找第五力,甚至可能是量子引力效应)。这个装置变得比为其设计的特定粒子更有价值。
历史告诉我们什么
自18世纪末以来,扭秤一直是精密引力测量的首选仪器。卡文迪许于1797年的实验首次准确测量了引力常数G,导致首次计算出地球的质量。在20世纪初,查尔斯·弗农·博伊斯通过使用小质量和石英纤维改进了设计,实现了几十年内无法超越的灵敏度改进。1885年至1909年间,罗兰·厄托夫斯使用相同的基本仪器以卫星实验直到1990年代未被超越的精度测试了等效原理(即重力质量和惯性质量相同的观点)。 这种模式重复发生:有人构建了一个用于某一目的的扭秤,结果其灵敏度足以测试完全不同的物理。在1960年代,罗伯特·迪克和其他人使用扭摆寻找广义相对论的违反。在1980年代,埃里克·阿德尔伯格在华盛顿大学的小组使用它们寻找第五力并测试重力的成分依赖性。现在我们正提议使用相同的300年机械原理来捕捉可能根本不存在的粒子。如果奏效,这将是物理学中持续时间最长的实验技术,再一次不可能的第二次表演。