来自Cardiff 大学的科学家将引力波激光探测仪用于探索暗物质。

宇宙中的奥秘总是如此神秘又令人费解。科学家们一直致力于宇宙中的引力波探测，而科学家们相信，现有的引力波技术有真正的潜力最终发现一种奇异的物质，甚至找到它的组成部分。

这种被称为的暗物质的东西，一直被认为约占宇宙中所有物质的85%，但从未被直接观测到，它仍然是现代物理学中最大的未解之谜之一。

图1 使用改进的LPSD技术，将频率箱调谐到预期暗物质线宽，从而产生典型的振幅谱。黑线表示振幅谱。在每个频率单元处从相邻单元估计噪声谱，以产生局部噪声中值（蓝色）和95%置信水平（CL，绿色）。高于该置信水平的峰值（红色）被视为暗物质信号的候选，并进一步分析。来源：DOI: 10.1038/s41586-021-04031-y

最近的一种理论认为暗物质实际上是一种称为标量场的物质，它的行为就像围绕着星系（包括我们自己的银河系）反弹的不可见波。

发表在《Nature》杂志上的一项研究中，由Cardiff 大学重力探索研究所的科学家领导的一个团队朝着这个目标迈出了第一步，他们使用了被称为激光干涉仪的仪器，首次寻找一种新的暗物质。

图2对于基本标量场景中的标量场暗物质，耦合参数Λγ和Λe作为场曼n质量的函数的约束。

发起此次调查的Cardiff 大学重力勘探研究所的Hartmut Grote教授说：“我们意识到，我们的仪器可以用来寻找这种新型暗物质，尽管它们最初是为探测引力波而设计的。”。

在激光干涉仪中，两束光在反射镜之间反弹，然后在探测器上会合。由此，科学家可以非常精确地测量光束之间的不同步程度，这本身就是光束遇到任何干扰的代表。

图3对于标量场暗物质，如在膨胀/模量场景和弛豫晕场景中的耦合参数Λγ和Λe作为场曼n质量的函数的约束。

激光干涉仪引力波观测台（LIGO）由位于美国的两台干涉仪组成，每台干涉仪有两个4公里长的臂，臂呈“L”形排列，2015年第一次用于探测引力波，此后多次用于探测引力波。

Grote于2009年至2017年担任英国和德国在德国的GEO600探测器的首席科学家，这是另一个高灵敏度干涉仪，用于开发探测引力波所需的许多技术。

图4 艺术家对黑洞的印象。来源：NASA

在这项研究中，GE0600探测器首次被用于专门寻找暗物质。

“标量场暗物质波会直接穿过地球，到达仪器，但当它们这样做时，会导致像镜子这样的物体轻微振动。”首席研究员Sander Vermeulen说，他也是Cardiff大学重力勘探研究所的成员。

“反射镜的振动会以暗物质特有的方式干扰GEO600或LIGO探测器等仪器中的光束，这是我们应该能够检测到的，这取决于暗物质的确切性质。”

尽管暗物质从未被直接探测到，但科学家们怀疑它的存在是因为它对宇宙中的物体产生了引力效应。例如，大量看不见的物质可以解释为什么星系会这样旋转，以及它们最初是如何形成的。

虽然研究小组在这项新的研究中没有成功地进行任何类型的探测，但他们表示，在将这项技术引入暗物质搜索方面，他们正在迈出重要的第一步，并且已经在缩小未来研究的某些参数方面取得了进展。

Grote教授继续说道：“当一种仪器最初是为了一个完全不同的目的而建造的时候，它能如此灵敏地捕捉暗物质让我感到惊讶。”、

Vermeulen说：“我们已经明确排除了一些说暗物质具有某些性质的理论。我们相信这些新技术具有在未来某个时候发现暗物质的真正潜力。”

来源 Direct limits for scalar field dark matter from agravitational-wave detector, Nature (2021). DOI:10.1038/s41586-021-04031-y