自上世纪80年代以来，研究人员一直希望借助实验寻找构成暗物质的粒子。据美国加州理工学院官网6月16日消息称，在理论物理学教授Kathryn Zurek的带领下，研究人员开始谋求新的思路。相关研究结果刊发在《物理评论快报》杂志中。
简单说来，他们一直在研究暗物质由“隐藏区”的粒子所组成的可能性。这些粒子比之前假设的粒子要轻，理论上可经位于地下的小型桌面实验设备发现。相比之下，科学家们目前正在采用大型实验来寻找质量更重、被称为“弱相互作用大质量粒子”（WIMP）的暗物质候选者。
Zurek教授在十多年前首次提出了隐藏区粒子概念，他介绍道：“暗物质总是会穿过我们。当我们绕着星系中心移动时，暗物质形成的稳定风通常会被忽视，但我们仍然可以根据暗物质的来源，设计出新的方法来搜寻暗物质风和探测器之间罕见的相互作用。”
在这篇论文中，物理学家们概述了如何通过一种被称为磁振子（magnon）的准粒子来探测较轻的暗物质粒子的方法。准粒子是一种突现现象：当固体表现得好像含有弱相互作用的粒子时，就会出现准粒子。磁振子就是一种具有电子自旋现象的准粒子，它的作用类似于小磁体，具有集体激发效应。
在研究人员关于桌面实验的构想中，一种磁性晶体材料将被用于寻找由暗物质产生的、处于激发态的磁振子的迹象。
论文作者之一、加州理工学院的博士后研究员Zhengkang (Kevin) Zhang解释道：“如果暗物质粒子比质子轻，那么用传统方法探测它们的信号就会变得非常困难。但是，据许多被充分激发的数据模型显示，特别是那些涉及隐藏区的模型，暗物质粒子可以与电子的自旋效应产生偶联。因此，一旦它们击中实验材料，就将诱导出自旋激发态，或磁振子。如果我们通过冷却设备，以及将其移至地下来降低背景噪音，就有望探测到仅由暗物质产生的磁振子。”尽管这类实验到目前为止还只停留在理论上，但最终可能会利用埋在地下的小型设备来完成。这样的话，来自其他粒子（比如宇宙射线中的粒子）产生的外部影响就可以降到最小。
在目前桌面实验所发现的暗物质迹象之一是，信号会随着时间的变化而变化。这是由于用于检测暗物质的磁晶体或具有各向异性，这意味着原子被自然地以特定的方式排布着，以便于当暗物质从特定方向而来时，让它们倾向于与暗物质发生更强烈的交互作用。
科界原创编译：朱明逸 审稿：西莫责编：雷鑫宇
期刊来源：《物理评论快报》
期刊编号：0031-9007
原文链接：https://www.caltech.edu/about/news/thinking-small-new-ideas-search-dark-matter
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