科學家們對宇宙有了很多了解。但這些知識只是一小部分。總體而言，宇宙中大約 95% 是由暗物質和暗能量組成的，我們周圍熟悉的物質只剩下 5%。德克薩斯農工大學的實驗粒子物理學家魯帕克·馬哈帕特拉 (Rupak Mahapatra) 博士正致力於通過設計配備量子低溫傳感器的先進半導體探測器來揭示這一隱藏的大多數。這些技術支持世界各地的實驗，並幫助研究人員更深入地探究科學上最大的謎團之一。
馬哈跋陀羅將人類對宇宙的有限理解或缺乏理解與一個眾所周知的寓言進行了比較。 “這就像試圖通過觸摸大象的尾巴來描述大像一樣。我們感覺到了一些大而復雜的東西。但我們只捕捉到了一小部分。”
瑪哈帕特拉和他的合著者最近在這本受人尊敬的期刊上發表了他們的作品。 應用物理快報–
什麼是暗物質和暗能量？
暗物質和暗能量是以科學家仍然不了解的事物命名的。暗物質構成了星系和星系團中發現的大部分質量。它在確定跨越廣闊宇宙距離的結構方面發揮著重要作用。暗能量是指宇宙加速膨脹背後的力量。簡而言之，暗物質就像宇宙的粘合劑。隨著暗能量推動空間膨脹得越來越快。
雖然兩者都大量存在，但不存在發出、吸收或反射光的暗物質或暗能量。這使得直接觀察變得非常困難。科學家們轉而通過重力來研究它們的影響。這會影響星系的移動和形成大規模結構的方式。暗能量是主要成分。它約佔宇宙總能量的68%。而暗物質則貢獻了約27%。
檢測颶風中的低語
在德克薩斯農工大學，馬哈帕特拉的研究小組正在開發超靈敏探測器。這些儀器旨在檢測僅在極少數情況下與普通物質相互作用的粒子。這種相互作用可能提供有關暗物質性質的重要線索。
馬哈帕特說：“挑戰在於暗物質的相互作用如此微弱，以至於我們需要能夠觀測到每年可能只發生一次甚至十年一次的事件的探測器。”
他的團隊正在使用名為 TESSERACT 的探測器在世界領先的暗物質搜索中發揮作用。 “這與創新有關，”他說。 “我們正在尋找方法來放大以前隱藏在噪音中的信號。”
德克薩斯農工大學是一小群機構之一。誰參加了 TESSERACT 試驗
超出檢測極限
Mahapatra 目前的努力建立在數十年開發先進粒子檢測方法的經驗之上。在過去的25年裡，他一直參與SuperCDMS實驗，該實驗尋找地球上最敏感的暗物質。在 2014 年《物理評論快報》上發表的一篇具有里程碑意義的論文中，馬哈帕特拉和他的合作者在 SuperCDMS 實驗中引入了電壓輔助電離檢測，這一突破使得研究低質量 WIMP（暗物質的主要候選者）成為可能。這一進步顯著提高了科學家檢測以前無法探測到的粒子的能力。
2022 年，馬哈帕特與人共同撰寫了另一項研究，探討尋找 WIMP 的不同方法，包括直接檢測。間接檢測和搜索的衝突這項工作強調了結合不同策略的重要性。解決暗物質問題
“沒有任何實驗可以給我們所有的答案，”馬哈帕特拉觀察到。 “我們需要不同方法之間的協同作用，拼湊出整體圖景”
了解暗物質不僅僅是一種學術好奇心。它可以揭示支配宇宙的基本原理。 “如果我們探測到暗物質，我們將開啟物理學的新篇章，”馬哈帕特說。 “搜索需要極其靈敏的傳感技術。它可能會帶來我們今天無法想像的技術。”
什麼是 WIMP？
WIMP（弱相互作用大質量粒子）被認為是暗物質最有可能存在的可能性之一。這些假設的粒子將通過重力和弱核力相互作用。這解釋了為什麼它們很難被發現。
- 為什麼它們很重要： 如果弱相互作用粒子存在，它們可以解釋宇宙缺失的質量。
- 我們如何搜索： SuperCDMS 和 TESSERACT 等實驗依賴於高靈敏度探測器。其溫度幾乎為零，以記錄 WIMP 與普通物質之間罕見的相互作用。
- 挑戰： 弱相互作用粒子可以穿過地球而不留下任何痕跡，這意味著研究人員可能需要多年的數據才能確定哪怕是單個事件。
