澳大利亚科学家正朝着解决宇宙最大谜团之一的方向迈进：隐形暗物质的本质。
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，它是试图解释暗物质的理论中的热门候选者。
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。但在我们超越自己之前……
让我们从一个故事开始
大约 140 亿年前，所有的小物质——后来成为你、地球和银河系的基本粒子——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。很酷的故事，对吧？事实证明这不是全部。它甚至不是一半。
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。
其余的由我们所谓的暗物质组成。它的名字几乎告诉你我们所知道的一切。它不发光（所以我们称之为黑暗），它有质量（所以我们称之为物质）。
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——而不会有部分被抛入太空。我们认为暗物质实际上将星系联系在一起。
“子弹星团”是一个巨大的星系团，被解释为暗物质存在的有力证据。图片来源：美国国家航空航天局
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。它也穿过你，就像某种宇宙幽灵。你只是感觉不到。
我们如何检测它？
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的解决方案的一部分提出的，称为强 CP 问题（我们可以写一篇整篇文章）。
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：暗物质所需的两个条件。
那么你如何去寻找轴子呢？
好吧，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（光粒子）。
这是个好消息，因为我们擅长探测光子。这正是 ORGAN 所做的。它为轴子-光子转换设计了正确的条件，并寻找微弱的光子信号——暗物质通过探测器时产生的微小闪光。
这种实验被称为轴子光环，最早是在1980 年代提出的。今天世界上有一些，每一个在重要方面都略有不同。
ORGAN 实验的主要检测器。一个称为“共振腔”的小型铜圆柱体可以捕获暗物质转换过程中产生的光子。圆筒用螺栓固定在“稀释冰箱”上，将实验冷却到非常低的温度。图片来源：作者提供
照亮暗物质
人们认为，在强磁场存在的情况下，轴子会转化为光子。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（这就是热像仪工作的原因）。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。这台精美的冰箱将实验冷却到约-273°C的低温，从而大大降低了噪音。
实验越冷，我们就越能“倾听”暗物质转换过程中产生的微弱光子。
瞄准大众区域
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，我们设置了一个“排除限制”——这只是一种说法，即“我们没有在这个质量范围内发现任何暗物质，达到这个灵敏度水平。”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。
这是寻找轴子的多年计划的第一阶段。我们目前正在准备下一个实验，该实验将更加敏感，并针对一个新的、尚未探索的质量范围。
但为什么暗物质很重要？
好吧，首先，我们从历史中知道，当我们投资基础物理学时，我们最终会开发出重要的技术。例如，所有现代计算都依赖于我们对量子力学的理解。
如果我们不追求在当时看来是我们无法理解的奇怪物理现象的东西，我们永远不会发现电或无线电波。暗物质也是一样。
想想人类仅通过了解宇宙中六分之一的物质所完成的一切——想象一下，如果我们解开其余的东西，我们能做些什么。 
本文根据知识共享许可从The Conversation重新发布。阅读原文。
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