研究展示了一种寻找meV暗光子的新方法

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（左）稀释冰箱用于实现无背景单电子量子回旋加速器。（右上）银色潘宁陷阱，单个电子将悬浮在其中。（右下）量子回旋加速器状态的分辨率演示。应用微波驱动器来诱导转换。图片来源：邢凡。

我们银河系大约85%的质量由暗物质组成，这些物质不发射，吸收或反射光，因此无法直接观察到。虽然一些研究已经暗示或理论化了它的组成，但它仍然是最大的未解决的物理学问题之一。

世界各地的物理学家一直在进行暗物质搜索或试图提出直接观察不同暗物质候选者的新方法。迄今为止尚未被发现的一种假想形式的暗物质是暗光子暗物质。

一个有趣的可能性是暗物质由暗光子组成，暗光子类似于光子（即构成可见光的粒子），但与电荷相互作用的强度微弱。理论上，这些暗光子的质量可以在毫伏范围内，比电子轻一百万倍，因此众所周知难以检测。

西北大学，斯坦福大学和费米实验室的研究人员最近推出了一种可用于搜索meV暗光子的新方法。发表在《物理评论快报》上的一篇论文中概述了该方法的有效性，并在一项简短的原理验证试验中得到了证明，这也有助于对暗光子暗物质设定新的约束。

“我们研究的想法源于DOE SQMS中心促进的实验者和理论家之间的讨论，”进行这项研究的研究人员之一Gabriel Gabrielse告诉 Phys.org。“在西北大学，我们正在寻找BSM应用，用于一种不寻常的单电子探测器，这种探测器是无背景的。我们开发了新型探测器来测量电子电偶极矩并测试标准模型最精确的预测。

一个暗光子进入并将电子激发到更高的激发态。资料来源：哈里克里希南·拉马尼。

在了解了Gabrielse及其在东北大学的同事所做的工作后，斯坦福大学的一组理论物理学家联系并指出了他们的探测器进行meV暗光子搜索的潜力。这引发了两个研究小组之间的一系列互动和合作，其中还包括费米实验室的理论家罗尼·哈尼克（Roni Harnik）。

研究人员引入的新方法是基于使用捕获电子作为高Q谐振器来检测meV暗光子暗物质。它的基本假设是，当暗光子的剩余能量与两个最低回旋加速器能级的能量分裂相匹配时，电子回旋加速器的第一个状态将被激发。

“如果一个meV暗光子进入悬浮单个电子的陷阱，那么电子可以从基态激发到其回旋加速器运动的第一个激发态，”Gabrielse解释说。“没有背景，单个捕获电子的单次激发可以毫不含糊地检测到。几天没有看到任何这样的激发使我们能够根据暗光子产生这种激发的效率的理论计算，对通过的暗光子场的强度设定一个限制。

为了证明他们提出的方法的实用性，Gabrielse和他的同事使用它来收集单个电子的初始测量值。这项试验表明，他们的策略对于持续7天多的搜索是无背景的。

研究人员还能够为暗光子暗物质设定新的限制，特别是在148 GHz（0.6 meV）处。在未来，他们的工作可以为旨在评估和使用他们提出的策略来寻找meV暗光子的新研究铺平道路。

“我们工作最显着的成就是具体展示了一种寻找meV暗物质的全新方法，”Gabrielse补充道。“我们现在计划在为此设计的装置中对meV暗光子进行广泛的搜索。进行演示测量的设备针对窄带电子磁矩测量进行了优化，而我们正在开发的新设备和新想法将允许广泛的搜索。

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原标题：《『研究展示了一种寻找meV暗光子的新方法》

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