BREAD实验通过采用宽频、空间高效的设计来加强暗物质研究，为未来的科学突破铺平道路。来源:SciTechDaily.com
BREAD的暗物质探测创新方法使用同轴“碟形”天线扫描神秘粒子。
暗物质是现代科学最大的谜团之一。我们知道暗物质的存在是由于它对宇宙中其他物体的影响，但我们从来没有能够直接看到它。这不是一件小事——目前，科学家认为它占宇宙总质量的85%。
由芝加哥大学和费米国家加速器实验室领导的一项新实验，被称为轴子探测宽带反射实验(BREAD)，在《物理评论快报》上发表了一项研究，公布了其在寻找暗物质方面的第一批结果。虽然他们没有发现暗物质，但他们缩小了暗物质可能存在位置的限制，并展示了一种独特的方法，可以在相对较小的空间和成本下加速寻找这种神秘物质。
BREAD设计的效果图。这个“好时之吻”形状的结构将潜在的暗物质信号输送到左边的铜色探测器。探测器非常小巧，可以放在桌面上。来源:BREAD Collaboration
芝加哥大学协会表示:“到目前为止，我们对能够做到的事情感到非常兴奋。”David Miller教授与费米实验室的Andrew Sonnenschein共同领导了这次实验，他最初提出了这个实验的概念。“这种设计有很多实际优势，我们已经在11-12千兆赫的频率上展示了迄今为止最好的灵敏度。”
“这个结果是我们概念的一个里程碑，第一次展示了我们方法的力量，”费米实验室博士后学者和研究的主要作者斯特凡·尼克说，他是探测器的建设和运营的先锋。“做这种创造性的桌面级科学是很棒的，一个小团队可以做从建立实验到数据分析的所有事情，但仍然对现代粒子物理学产生重大影响。”
《那里有东西》
当我们环顾宇宙时，我们可以看到某种物质正在施加足够的引力来吸引恒星和星系并使光线通过，但没有望远镜或设备直接捕捉到它的来源——因此被称为“暗物质”。
然而，由于没有人见过暗物质，我们甚至不知道它到底是什么样子，甚至不知道在哪里寻找它。米勒说:“我们非常有信心，那里有某种东西，但它可能有很多种形式。”
科学家们已经绘制出了几个最有可能寻找的地点和形式。通常，方法是构建检测器来非常彻底地搜索一个特定区域(在这种情况下，是一组频率)，以排除它。
但一组科学家探索了一种不同的方法。他们的设计是“宽带”的，这意味着它可以搜索更大的可能性，尽管精度略低。
米勒说:“如果你把暗物质想象成一个收音机，那么寻找暗物质就像拨通拨号盘去寻找一个特定的电台，只不过有一百万个频率需要检查。”“我们的方法就像扫描10万个广播电台，而不是非常彻底地扫描几个。”
费米实验室的Stefan Knirck和BREAD探测器的组件。资料来源:芝加哥大学
概念验证
BREAD检测器搜索可能性的特定子集。它的建立是为了寻找被称为“轴子”或“暗光子”的暗物质——质量极小的粒子，在适当的情况下可以转化为可见光子。
因此，BREAD由一根金属管组成，该金属管包含一个弯曲的表面，可以捕获并将潜在的光子输送到一端的传感器。整个东西足够小，可以容纳你的手臂，这对于这类实验来说是不寻常的。
在全尺寸的版本中，BREAD将被安置在一个磁铁中，产生一个强大的磁场，这增加了将暗物质粒子转化为光子的机会。
然而，为了证明原理，研究小组进行了没有磁铁的实验。他们在芝加哥大学运行了大约一个月的原型设备，并分析了数据。
科学家们说，结果非常有希望，在选定的频率上显示出非常高的灵敏度。
自从发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的研究结果被接受以来，BREAD已经被转移到阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)一个改造过的核磁共振磁体中，并正在收集更多数据。它的最终归宿，费米国家加速器实验室，将使用更强的磁铁。
“这只是我们计划的一系列激动人心的实验的第一步，”Sonnenschein说。“对于提高轴子搜索的灵敏度，我们有很多想法。”
米勒说:“科学领域仍有许多悬而未决的问题，解决这些问题的创造性新想法还有巨大的空间。”“我认为这是这种创造性想法的一个标志性例子——在这种情况下，大学小规模科学与国家实验室大规模科学之间有影响力的合作伙伴关系。”
作为实验室探测器研发计划的一部分，BREAD仪器是在费米实验室建造的，然后在芝加哥大学运行，在那里收集了这项研究的数据。芝加哥大学的博士研究生Gabe Hoshino与本科生Alex Lapuente和Mira Littmann一起领导了探测器的操作。
阿贡国家实验室维护着一个重要的磁体设备，将用于BREAD物理计划的下一阶段。其他机构，包括SLAC国家加速器实验室、劳伦斯利弗莫尔国家实验室、伊利诺伊理工学院、麻省理工学院、喷气推进实验室、华盛顿大学、加州理工学院和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校，正在与芝加哥大学和费米实验室合作，为该实验的未来版本进行研发。
参考文献:“用同轴碟形天线在44 ~ 52 μeV范围内宽带搜索暗光子暗物质的第一个结果”，发表于2024年3月28日，《物理评论快报》。DOI: 10.1103 / PhysRevLett.132.131004
资助:美国能源部科学办公室，芝加哥大学联合工作组倡议，剑桥青年研究奖学金，Kavli粒子天体物理研究所和宇宙学Porat奖学金。
