尋找“隱藏的光子”歐洲科學家設計新的搜索暗物質實驗

　　以前是一個宇宙射線觀測站的原型，現在變身成為科學家用來搜尋暗物質的工具——德國科學家與歐洲其他研究機構合作，準備用一面巨大的球形金屬鏡來尋找“隱藏的光子（hidden photons）”。這些迄今為止尚未被人類看見過的奇異光子是普通光子的表兄弟，科學家認為它們也屬于暗物質。

　　目標：隱藏的光子

　　宇宙中大約85%物質都是看不見的神秘暗物質。大部分暗物質實驗都在試圖探測超對稱理論預言的弱相互作用大質量粒子（WIMPs），它們只通過弱核力和重力與其他物質發生相互作用，是暗物質最有希望的候選者。WIMP探測器通常都位于地下深處，其捕捉目標就是假定粒子與原子核之間碰撞產生的微弱能量。然而，從首次開展這類實驗至今，大約20多年過去了，還沒有一個弱相互作用大質量粒子被明確地探測到。

　　而隱藏的光子是由粒子物理學標準模型的一些擴展理論預測的。不同于弱相互作用大質量粒子，它們與普通物質會相互發生電磁作用。隱藏的光子擁有一個非常小的質量，根據預測，它們也會通過一個類似于中微子振蕩的過程轉變為普通光子。觀察這種振蕩需要依靠對極微弱的電磁信號非常敏感的探測器，雖然實驗很困難，但已經有幾個項目建成了或正在醞釀中。

　　“過去幾年來，（科學家）對隱藏的光子的興趣與日俱增。”加州大學歐文分校的喬納森·馮說，部分原因在于，搜索其他的暗物質候選者的實驗都“一無所獲”。物理學家們也意識到，可以嘗試建立許多不同種類的實驗來探測隱藏的光子。

　　德國電子同步加速器研究所的巴貝特·多布里奇就是其中的一員。

　　工具：巨大的球形金屬鏡

　　據《物理世界》雜志網站10月13日報道，多布里奇和他在研究所的同事正與來自卡爾斯魯厄理工學院和歐洲其他一些機構的同行合作，使用一個球形金屬鏡的一部分，來尋找隱藏的光子。

　　這一想法是由德國物理學家在2012年發表的一篇名為《用碟形天線搜尋飄渺的冷暗物質》的論文中提出的。該方案建立在隱藏的光子會與電子互動——盡管這種互動有氣無力——的基礎上，當這些光子撞擊一個導體時，就會導致其組成電子發生振蕩，振蕩產生的普通光子會與導體表面呈直角被發射出來。

　　球面鏡是探測這種光的理想工具，因為發射出的光子將集中在球體的中心，而任何背景光都會被鏡面反彈回去，并穿過位于球體表面和中心之間的焦點。放置在球體中心的接收裝置如果能夠調諧到與暗物質產生的光子相同頻率（頻率與進入的隱藏光子的質量有關）的話，就會將這些光子搜集起來，同時雜散電磁波則被盡可能地屏蔽在鏡子和接收器之外。

　　幸運的是，多布里奇的團隊就有這樣一面現成的理想鏡子——位于卡爾斯魯厄理工學院、建造皮埃爾·奧格天文臺時用于測試的一個13平方米的鋁鏡。這面鋁鏡的36個組成部分都經過調節，以使聚焦波的光點直徑最小化。他們還在開展實驗的屏蔽室中測量了背景輻射。而接收器的初始配置最有可能是一組用于測量可見光的低噪聲光電倍增管，對應于質量約為1電子伏的隱藏光子；還有一個選擇則是千兆赫茲輻射接收器，對應的是質量小于0.001電子伏的隱藏光子，但這種接收器需要更嚴密的屏蔽。

　　優勢：探測頻率范圍更廣

　　多布里奇團隊的實驗暫時命名為FUNK，但他們不是第一個尋找隱藏的光子的團隊。

　　自2011年以來，歐洲核子研究中心共振WISP搜尋項目就一直在運行，隱藏的光子和其他低質量暗物質粒子如軸子，都是他們的尋找目標。此外還有華盛頓大學的軸子暗物質實驗，雖然正如其名稱所暗示的，該設施的主要任務是探測軸子，但它同樣可以探測是否存在相互作用極其微弱的隱藏的光子。

　　多布里奇表示，與競爭對手相比，FUNK項目的優勢在于，它可以在相當廣泛的頻率跨度范圍內工作——至于有多廣，這取決于適當的電磁探測器以及鋁鏡的性能。

　　歐核中心的弗里茨·卡斯珀稱贊FUNK的設計“非常漂亮”，但他擔心在實踐中屏蔽電磁對鏡子的干擾將會很難。“細節決定成敗。”他說。他也奇怪，為什么多布里奇的團隊不“直接”利用射電望遠鏡尋找射頻輻射，射電望遠鏡的碟形天線直徑可達百米，可他們卻選擇了一面更小的鏡子。對此，多布里奇指出，就光學測量而言，他們的鏡子是一個很不錯的選擇。