來自Cardiff 大學的科學家將引力波激光探測儀用于探索暗物質。

宇宙中的奧秘總是如此神秘又令人費解。科學家們一直致力于宇宙中的引力波探測，而科學家們相信，現有的引力波技術有真正的潛力最終發現一種奇異的物質，甚至找到它的組成部分。

這種被稱為的暗物質的東西，一直被認為約占宇宙中所有物質的85%，但從未被直接觀測到，它仍然是現代物理學中最大的未解之謎之一。

圖1 使用改進的LPSD技術，將頻率箱調諧到預期暗物質線寬，從而產生典型的振幅譜。黑線表示振幅譜。在每個頻率單元處從相鄰單元估計噪聲譜，以產生局部噪聲中值（藍色）和95%置信水平（CL，綠色）。高于該置信水平的峰值（紅色）被視為暗物質信號的候選，并進一步分析。來源：DOI: 10.1038/s41586-021-04031-y

最近的一種理論認為暗物質實際上是一種稱為標量場的物質，它的行為就像圍繞著星系（包括我們自己的銀河系）反彈的不可見波。

發表在《Nature》雜志上的一項研究中，由Cardiff 大學重力探索研究所的科學家領導的一個團隊朝著這個目標邁出了第一步，他們使用了被稱為激光干涉儀的儀器，首次尋找一種新的暗物質。

圖2對于基本標量場景中的標量場暗物質，耦合參數Λγ和Λe作為場曼n質量的函數的約束。

發起此次調查的Cardiff 大學重力勘探研究所的Hartmut Grote教授說：“我們意識到，我們的儀器可以用來尋找這種新型暗物質，盡管它們最初是為探測引力波而設計的。”。

在激光干涉儀中，兩束光在反射鏡之間反彈，然后在探測器上會合。由此，科學家可以非常精確地測量光束之間的不同步程度，這本身就是光束遇到任何干擾的代表。

圖3對于標量場暗物質，如在膨脹/模量場景和弛豫暈場景中的耦合參數Λγ和Λe作為場曼n質量的函數的約束。

激光干涉儀引力波觀測臺（LIGO）由位于美國的兩臺干涉儀組成，每臺干涉儀有兩個4公里長的臂，臂呈“L”形排列，2015年第一次用于探測引力波，此后多次用于探測引力波。

Grote于2009年至2017年擔任英國和德國在德國的GEO600探測器的首席科學家，這是另一個高靈敏度干涉儀，用于開發探測引力波所需的許多技術。

圖4 藝術家對黑洞的印象。來源：NASA

在這項研究中，GE0600探測器首次被用于專門尋找暗物質。

“標量場暗物質波會直接穿過地球，到達儀器，但當它們這樣做時，會導致像鏡子這樣的物體輕微振動。”首席研究員Sander Vermeulen說，他也是Cardiff大學重力勘探研究所的成員。

“反射鏡的振動會以暗物質特有的方式干擾GEO600或LIGO探測器等儀器中的光束，這是我們應該能夠檢測到的，這取決于暗物質的確切性質。”

盡管暗物質從未被直接探測到，但科學家們懷疑它的存在是因為它對宇宙中的物體產生了引力效應。例如，大量看不見的物質可以解釋為什么星系會這樣旋轉，以及它們最初是如何形成的。

雖然研究小組在這項新的研究中沒有成功地進行任何類型的探測，但他們表示，在將這項技術引入暗物質搜索方面，他們正在邁出重要的第一步，并且已經在縮小未來研究的某些參數方面取得了進展。

Grote教授繼續說道：“當一種儀器最初是為了一個完全不同的目的而建造的時候，它能如此靈敏地捕捉暗物質讓我感到驚訝。”、

Vermeulen說：“我們已經明確排除了一些說暗物質具有某些性質的理論。我們相信這些新技術具有在未來某個時候發現暗物質的真正潛力。”

來源 Direct limits for scalar field dark matter from agravitational-wave detector, Nature (2021). DOI:10.1038/s41586-021-04031-y