实验证明暗光子搜索具有超灵敏性
美国能源部费米国家加速器实验室从事暗SRF实验的科学家们在用于寻找称为暗光子的理论粒子的实验装置中展示了前所未有的灵敏度。
研究人员将普通的无质量光子捕获在称为超导射频腔的设备中，以寻找这些光子向假设的暗区对应物的转变。正如最近发表在《物理评论快报》上的那样，该实验对特定质量范围内的暗光子存在进行了世界上最好的限制。
费米实验室超导量子材料与系统中心的研究员、这项研究的合著者罗尼·哈尼克(RoniHarnik)说：“暗光子是与我们所知道和喜爱的光子相似的副本，但有一些变化。”
让我们看到世界中普通物质的光是由称为光子的粒子组成的。但普通物质只占所有物质的一小部分。我们的宇宙充满了一种称为暗物质的未知物质，它占所有物质的85%。描述已知粒子和力的标准模型是不完整的。
在理论学家最简单的版本中，一种未被发现的暗物质粒子可以解释宇宙中的所有暗物质。但许多科学家怀疑宇宙中的暗区有许多不同的粒子和力量;其中一些可能与普通物质粒子和力存在隐藏的相互作用。
正如电子具有在某些方面不同的副本(包括μ子和τ子)一样，暗光子也将不同于常规光子并且具有质量。理论上，一旦产生，光子和暗光子就可以按照暗光子特性设定的特定速率相互转化。
为了寻找暗光子，研究人员进行了一种称为穿墙光照射实验的实验。这种方法使用两个空心金属腔来检测普通光子到暗物质光子的转变。科学家将普通光子存储在一个腔中，而将另一个腔留空。然后他们寻找空腔中光子的出现。
SQMS中心的费米实验室研究人员拥有多年研究SRF腔的专业知识，SRF腔主要用于粒子加速器。SQMS中心的研究人员现在已将SRF腔用于其他目的，例如量子计算和暗物质搜索，因为它们能够高效存储和利用电磁能。
SQMS中心量子技术推力负责人AlexanderRomanenko表示：“我们一直在寻找超导射频腔的其他应用，我了解了这些实验，他们并排使用两个铜腔来测试穿过墙壁的光。”“我立即意识到，与之前实验中使用的空腔相比，我们可以通过SRF空腔表现出更高的灵敏度。”
该实验标志着首次演示使用SRF腔进行光照射穿墙实验。
Romanenko和他的合作者使用的SRF腔体是空心的铌块。当冷却到超低温时，这些空腔可以很好地存储光子或电磁能包。在暗SRF实验中，科学家将SRF腔在液氦浴中冷却至2K左右，接近绝对零。
在这个温度下，电磁能毫不费力地流过铌，这使得这些空腔能够有效地存储光子。
研究合著者、明尼苏达大学SQMS中心物理和传感团队成员刘真(ZhenLiu)表示：“我们一直在开发各种方案，试图应对这种超高质量超导腔为这项光照穿墙实验带来的新机遇和挑战。”
研究人员现在可以使用具有不同共振频率的SRF腔来覆盖暗光子潜在质量范围的各个部分。这是因为暗光子质量的峰值灵敏度与存储在SRF腔之一中的常规光子的频率直接相关。
“团队对实验进行了多次跟踪和交叉检查。”负责数据分析和验证设计的刘说。“SRF腔开启了许多新的搜索可能性。我们覆盖了暗光子质量的新参数区域这一事实表明了它们的成功、竞争力和未来的巨大前景。”
SQMS中心主任兼该实验的联合PI安娜·格拉塞利诺(AnnaGrassellino)表示：“暗SRF实验为SQMS中心正在探索的新型实验铺平了道路，其中这些Q值非常高的腔体被用作极其灵敏的探测器。”“从暗物质到引力波搜索，再到量子力学的基本测试，这些世界上效率最高的空腔将帮助我们发现新物理学的线索。”