科学家提出利用 LIGO 搜寻暗物质的新方法

Josiah02 · 发表于 2024-9-23 13:30:19

《物理评论快报》（PRL ）发表的一项新研究提出使用像 LIGO 这样的引力波探测器来寻找标量场暗物质。
暗物质是一种难以捉摸的物质形式，占宇宙中可观测物质的 30%。它不吸收、发射或反射光，因此我们无法看到它。
它的存在是由于它对可见物质的引力影响，例如星系团的运动和星系的旋转。由于其难以捉摸的性质，它引起了科学家的广泛兴趣。但是，尽管进行了广泛的研究，但它的性质仍然未知。
PRL研究由卡迪夫大学的 Alexandre Sébastien Göttel 博士领导，旨在探索一种称为标量场暗物质的特定暗物质候选物。Göttel博士向 Phys.org 介绍了这项研究。
“我最近从粒子物理学（专注于太阳中微子）转到引力波数据分析。利用 LIGO 寻找暗物质的机会似乎是在学习更多干涉测量学知识的同时，将我的专业知识运用到这两个领域的理想方式，”Göttel 博士说。
引力波探测器
引力波探测器是一种高灵敏度的设备，可以探测时空中的微小扭曲（又称引力波）。
激光干涉引力波天文台（LIGO）使用激光干涉仪探测引力波。该装置由两个直角的 4 公里臂组成。激光束被分成两束，沿着每条臂发送。
引力波会拉伸和压缩时空本身，而且由于引力波本质上是横向的，它们会导致一条臂的距离被拉伸，而另一条臂的距离被压缩。这意味着光沿着每条臂所花费的时间会有所不同。
然后，两束光束通过镜子送回中心，并测量干涉图样。LIGO 就是通过改变干涉图样来探测引力波的存在的。
使用 LIGO 探测暗物质
暗物质的一种假设形式是标量场暗物质。这些是超轻标量玻色子粒子，这意味着它们没有内在的自旋或方向性。简而言之，如果它们在空间中旋转，它们的性质将保持不变。
理论上，标量场暗物质与物质和光的相互作用很弱。这种弱相互作用加上其低质量意味着标量场暗物质可以表现出波状结构，向外扩散和重叠形成波形。
这使得它们能够形成稳定的结构，例如可以在太空中移动而不会分裂的暗物质云。标量场暗物质的这一特性是使用引力波探测器（如 LIGO）寻找它们的关键。
戈特尔博士解释说：“一些理论认为，暗物质的行为更像波而不是粒子。这些波会在正常物质中引起微小的振荡，这些振荡可以被引力波探测器探测到。”
测试质量效应
研究小组利用 LIGO 第三次观测的数据，将搜索范围扩大到较低频率（10 至 180 赫兹），提高了灵敏度。
虽然先前的研究解释了标量场暗物质对分束器的影响，类似于引力波，但研究人员还考虑了其对干涉仪臂中镜子的影响。
“在原子层面上，你可以想象暗物质场与电磁场一起波动。暗物质场振荡有效地改变了基本常数，即控制电磁相互作用的精细结构常数和电子质量，”Göttel 博士说。
由于暗物质振荡影响宇宙中的每一个原子，考虑它们对干涉仪臂中的测试质量或镜子的影响是研究小组做出的一个重要考虑。
Göttel 博士进一步澄清道：“所有物质都会受到这些振荡的影响，但仪器其他部分的振荡对通过的激光束没有影响或影响很小，这是我们可以检测到的。”
设定上限
研究小组开发了一个理论模型来了解标量场暗物质如何与 LIGO 组件、分束器和测试质量相互作用。
随后，他们使用模拟软件来了解标量场暗物质（如果存在）将如何影响 LIGO 的输出。模拟为他们在 LIGO 数据中应该寻找的信号或异常类型提供了一个思路。
然后，研究小组利用来自 LIGO 的数据，并应用一种称为对数谱分析的方法来识别与标量场暗物质预测效应相匹配的模式或信号。
研究团队未能在 LIGO 数据中找到标量场暗物质的有力证据。但他们却能为暗物质与 LIGO 组件之间相互作用的强度设定新的上限。
这种耦合强度是可以检测到标量暗物质存在的阈值。在这个特定的频率范围内，耦合强度的值比以前的研究提高了 10,000 倍。
“我们是第一个考虑测试质量中额外差异效应的人，这些差异效应在低频下非常显著。通过将其与一种可最大限度提高数据统计能力的新分析方法相结合，我们取得了显著改善的结果，”Göttel 博士总结道。
该研究提出了预测核心光学变化影响的方法，表明镜面厚度的微小调整可以带来显着的改进。研究小组还估计，未来的探测器甚至能够超越间接搜索方法，并能够排除整个标量暗物质理论类别。

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