西澳大利亚大学的 Maxim Goryachev 博士

凝聚态、量子光学和粒子物理学家之间的跨学科合作有可能破解对低质量暗物质的寻找。所提出的量子探测器建立在超流体氦中基本激发的 EQUS 研究和光力学的进展之上。

由 EQUS 研究员 Chris Baker 博士 （UQ） 领导的研究提出了通过与受限在光机械腔内的超流体氦的相互作用来直接检测低质量暗物质。

"用于直接探测的光机械暗物质仪器》于 2024 年 8 月发表在 Physical Review D 上。

迄今为止，暗物质直接检测实验中缺乏阳性信号，这推动了对质量越来越低的粒子的搜索，需要开发新型超灵敏检测工具。

“不幸的是，质量越低意味着信号越弱，这使得传统的粒子物理学工具不合适，”通讯作者 EQUS CI 博士 Maxim Goryachev （UWA） 说。

Goryachev 和 Baker 的提议利用了超流体氦，其中暗物质碰撞会导致机械“振铃”效应（量化为“声子”）。

声子是粒子的集体激发，Goryachev 在 UWA 工作的量子和暗物质实验室在应用这种准粒子的特性来检测和理解其他非常低能量的系统方面拥有丰富的经验。

这只是在 EQUS 的量子引擎和仪器计划中开发的复杂量子技术应用于精密计量的一个例子。

“低质量暗物质碰撞引起的集体振动将非常小，”Goryachev 说。“使用当前的技术，这些分散的声子是无法检测到的。”

“这就是 EQUS 在我们实验室和昆士兰量子光学实验室 （QQOL） 之间建立的联系的来源。”

在 EQUS 中，位于昆士兰大学的量子光学实验室领导了光力学研究，利用光来控制和探测机械运动。

在 QQOL，Baker 博士将他在超流体光力学方面的专业知识应用于开发一种“放大”系统，该系统基于将无法检测到的低能声子转导为高能（可检测）光子。

结果是光机械暗物质仪器，或“ODIN”。

该设备可以使用成熟的技术实现，将提供对 keV 质量范围内的暗物质的访问，比现有实验的能量低几个数量级。

除了对暗物质科学的贡献外，它还首次展示了将光力学应用于检测单个粒子，即检测非常罕见的散射事件。这扩大了光机械的应用范围，不再是弱场传感器。

“我们也喜欢将量子仪器应用于探索如此重要的物理学基础领域，”Goryachev 说。“考虑量子的更广泛应用，超越计算和通信等更传统的领域，令人振奋。”

更多信息：Christopher G. Baker 等人，用于直接探测的光机械暗物质仪器，物理评论 D（2024 年）。DOI： 10.1103/PhysRevD.110.043005

期刊信息： Physical Review D