GNOME网络:全球科研人员协调搜索暗物质

传感器网络GNOME首次在《自然-物理学》上发表了全面的数据–这涉及六个国家的九个站点。一个由美因茨约翰内斯-古腾堡大学(JGU)的PRISMA+卓越集群和美因茨亥姆霍兹研究所(HIM)主要参与的国际研究小组首次发表了关于使用全…

传感器网络GNOME首次在《自然-物理学》上发表了全面的数据–这涉及六个国家的九个站点。一个由美因茨约翰内斯-古腾堡大学(JGU)的PRISMA+卓越集群和美因茨亥姆霍兹研究所(HIM)主要参与的国际研究小组首次发表了关于使用全球光学磁强计网络寻找暗物质的综合数据。

据科学家们说,暗物质场应该产生一种特征性的信号模式,可以通过GNOME网络的多个站点的相关测量来检测。对来自GNOME一个月连续运行的数据的分析还没有得到相应的指示。然而,正如研究人员在著名的《自然-物理学》杂志上报告的那样,该测量允许对暗物质的特征制定约束条件。

GNOME是”用于外来物理搜索的光学磁强计全球网络”的缩写。它的背后是分布在德国、塞尔维亚、波兰、以色列、韩国、中国、澳大利亚和美国等世界各地的磁强计。通过GNOME,研究人员特别希望推进对暗物质的搜索–这是21世纪基础物理学最令人兴奋的挑战之一。毕竟,人们早就知道,许多令人困惑的天文观测结果,如星系中恒星的旋转速度或宇宙背景辐射的光谱最好能用暗物质来解释。

“极轻的玻色子粒子被认为是当今最有希望的暗物质候选者之一。这些包括所谓的类轴子粒子–简称ALPs,”PRISMA+和HIM的教授Dmitry Budker博士说,HIM是美因茨约翰内斯-古腾堡大学和达姆施塔特的GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung的机构合作。”它们也可以被视为以一定频率振荡的经典场。这种玻色子场的一个特点是–根据一种可能的理论方案–它们可以形成模式和结构。因此,暗物质的密度可以集中在许多不同的区域–例如,可以形成比一个星系小但比地球大得多的离散域墙。”

“如果这样的墙遇到了地球,它就会逐渐被GNOME网络探测到,并能在磁力计中引起瞬时的特征信号模式,甚至更多,”该研究的共同作者之一Arne Wickenbrock博士解释说。”这些信号以某些方式相互关联–取决于墙壁移动的速度和它到达每个位置的时间”。

同时,该网络由分布在全球8个国家的14个磁强计组成,其中9个为当前的分析提供了数据。测量原理是基于暗物质与磁强计中原子的核自旋的相互作用。原子被一个特定频率的激光激发,使核自旋朝一个方向发展。一个潜在的暗物质场可以干扰这个方向,这是可以被测量的。

形象地说,人们可以想象,磁强计中的原子最初在混乱中跳舞,正如Budker小组的博士生、也是目前研究的作者Hector Masia-Roig所阐明的那样。”当它们’听到’正确频率的激光时,它们都会一起旋转。暗物质粒子可以使跳舞的原子失去平衡。我们可以非常精确地测量这种扰动。”现在,磁强计网络变得很重要:当地球在空间上有限的暗物质墙中移动时,所有站点中跳舞的原子都会逐渐受到干扰。其中一个站位于美因茨的亥姆霍兹研究所的一个实验室里。”马西亚-罗伊格说:”只有当我们匹配所有站点的信号时,我们才能评估是什么触发了干扰。”应用于跳舞原子的图像,这意味着。如果我们比较所有站点的测量结果,我们可以决定这只是一个孤独舞者在跳舞,还是实际上是一个全球性的暗物质干扰。

在目前的研究中,研究小组分析了来自GNOME连续运行一个月的数据。结果是。在调查的质量范围内,从一个飞电子伏特(feV)到100,000feV,没有出现统计学意义上的信号。

相反,这意味着研究人员可以比以前进一步缩小理论上可以发现这种信号的范围。对于依赖离散暗物质墙的方案来说,这是一个重要的结果–“尽管我们还不能用我们的全球环形搜索探测到这样的域墙,”美因茨的另一位博士生、该研究的作者Joseph Smiga补充说。

GNOME合作的未来工作将集中在改进磁力计本身和数据分析上。特别是,连续运行应该更加稳定。这对于可靠地搜索持续时间超过一小时的信号非常重要。此外,磁强计中以前的碱原子将被惰性气体所取代。在”高级GNOME”的标题下,研究人员预计这将导致未来在搜索ALP和暗物质方面的测量的灵敏度大大增加。

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