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。