澳大利亚实验给暗物质设定了一个新的范围

ORGAN 实验是澳大利亚第一个主要的暗物质探测器，最近完成了对一种称为轴子的假设粒子的搜索。ORGAN 对轴子的可能特性设置了新的限制，从而帮助缩小了对它们的搜索范围。

让我们从一个故事开始

大约 140 亿年前，所有的物质都被压缩到一个非常密集、炎热的区域。然后大爆炸发生了，一切都飞散了。这些粒子结合成原子，最终聚集在一起形成恒星，恒星爆炸并产生各种奇异物质。

数十亿年后，地球出现了，它最终爬满了被称为人类的小东西。人、行星、恒星和星系都是由“常规物质”构成的。但我们知道，普通物质只占宇宙中所有物质的六分之一。其余部分由我们所谓的“暗物质”构成，它不发光（因此我们称其为“暗”）并且具有质量（因此我们称其为“物质”）。

如果它是不可见的，我们怎么知道它在那里

当我们观察事物在空间中的运动方式时，我们一次又一次地发现，如果我们只考虑我们能看到的东西，我们就无法解释我们的观察结果。旋转星系就是一个很好的例子，大多数星系的旋转速度无法仅用可见物质的引力来解释。

因此，这些星系中一定有暗物质，提供额外的引力并让它们旋转得更快，我们认为暗物质实际上将星系联系在一起。所以宇宙中一定有大量的暗物质，拉动着我们能看到的所有东西。它也会穿过你，就像某种宇宙幽灵，只是你感觉不到。

我们怎么能检测到它

许多科学家认为暗物质可能由称为轴子的假设粒子组成。轴子最初是作为粒子物理学中另一个主要问题“强 CP 问题”的解决方案的一部分而提出的。

不管怎样，在提出轴子之后，科学家们意识到，在某些条件下，这个粒子也可以构成暗物质。这是因为预计轴子与常规物质的相互作用非常微弱，但仍然具有一定的质量。

既然人们认为暗物质就在我们身边，我们可以在地球上建造探测器。而且，幸运的是，预测轴子的理论还预测，轴子可以在适当的条件下转化为光子。这是个好消息，因为我们擅长探测光子，这也正是 ORGAN 实验所做的。它设计了轴子-光子转换的正确条件，并寻找微弱的光子信号。

照亮暗物质

轴子被认为在存在强磁场的情况下会转化为光子。在典型的光环仪中，我们使用称为“超导螺线管”的大电磁体产生这种磁场。在磁场内部，我们放置了一个或几个空心金属腔室，用于捕获光子并使它们在内部反弹，从而更容易检测到它们。

但是，有一个小问题。任何有温度的东西都会不断发出小的随机闪光。这些随机发射或“噪声”使我们更难检测到我们正在寻找的微弱暗物质信号。为了解决这个问题，我们将谐振器放置在“稀释冰箱”中。这个精美的冰箱将实验冷却到低温，大约 -273 C，这大大降低了噪音。实验越冷，我们就越能“听到”暗物质转换过程中产生的微弱光子。

结果

一定质量的轴子会转换成一定频率或颜色的光子。但由于轴子的质量是未知的，因此实验必须针对不同的区域进行搜索，重点关注那些被认为更有可能存在暗物质的区域。如果没有发现暗物质信号，那么要么实验不够灵敏，无法听到高于噪声的信号，要么对应的轴子质量区域内没有暗物质。

当这种情况发生时，就设置了一个“排除界限”：在这个质量范围内，在这个灵敏度水平上，我们没有发现任何暗物质。这告诉暗物质研究界的其他人将他们的搜索转向其他地方。ORGAN 是其目标频率范围内最敏感的实验。它最近的运行没有检测到暗物质信号。这一结果为轴子的可能特性设定了一个重要的排除界限。

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