First Search for Ultraheavy Dark Matter Using a Magnetically Levitated Particle
POLONAISE实验利用磁悬浮毫克级铁磁体进行了首次超重暗物质搜索，为质量在 至 之间的暗物质-中子相互作用设定了领先的限制，并将悬浮传感的探测范围扩展了七个数量级。
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宇宙中充满了被称为暗物质的神秘物质。天文学家能观察到它的引力在拉扯恒星和星系，然而至今尚未有人直接捕捉到它的任何一个粒子。几十年来，科学家们一直将搜寻重点放在一种特定的重粒子上，希望能在深层地下实验室中找到它。但当这些搜寻空手而归时，科学界开始转向其他方向。他们开始质疑，暗物质是否可能比任何人预想的都要重得多，或者它是否是由复杂的团块而非简单的粒子组成的。这种思维的转变开启了一种全新的狩猎方式，这种方式需要能够感知来自穿梭而过的“幽灵”那最微弱推力的传感器。
一支研究团队现在利用一种悬浮在半空中的装置，在这一新方向上迈出了重要一步。在荷兰的一个实验室里，他们将一粒毫克级的微型磁体悬浮在一个超导陷阱中。这块磁体大约只有一粒沙子大小，通过磁场固定，并被冷却到接近绝对零度的温度。其目标是观察这个悬浮物体，看它是否会出现任何无法用正常振动或已知力量解释的突然、微小的震动。如果一个重暗物质粒子飞过磁体，它会施加一个微小的力，给磁体一个轻微的踢击。由于磁体非常轻且环境极其安静，即使是最微小的踢击也会清晰可见。
研究人员对这个悬浮磁体进行了超过九天的监测，以极高的精度倾听那些“踢击”。他们的仪器足够灵敏，可以探测到低至 0.07 费托牛顿（femtonewtons）的力，这种灵敏度使其能够感受到远比以往实验所能捕捉到的更小的冲量。在观察期间，团队观察到了八个明显的事件，当时磁体似乎受到了某种推力。然而，这些推力并非新物理学的明确信号。相反，这些事件的模式符合随机、非高斯噪声的行为——本质上就是任何灵敏实验中都会发生的电子故障和环境振动。由于他们无法证明这些是暗物质，也无法完美地模拟背景噪声以将其扣除，因此团队将这八个事件中的每一个都视为潜在的暗物质信号。
通过假设最坏的情况——即那八次震动中的每一次都可能是一个暗物质粒子——研究人员计算了他们的实验所能排除的限制范围。他们发现，如果暗物质是以通过长程力相互作用的超重粒子形式存在，那么它与中子的相互作用强度不能像他们的实验所探测到的那样强。具体而言，他们排除了一类质量在质子 40 万倍到 800 万亿倍之间的暗物质粒子的相互作用强度范围。这一结果极大地扩张了搜索领地。虽然早期使用光力悬浮微小物体的实验只能探测到一定重量以下的暗物质，但这种新的磁性方法将搜索窗口向超重领域延伸了七个数量级。
该研究还探讨了一种特定的模型，即暗物质不是单一粒子，而是一个复合体，例如由许多较小暗成分组成的微型“块状物”。对于这些复合候选者，团队设定了迄今为止关于它们与普通物质碰撞频率的最严格限制。他们确定，此类粒子与中子发生碰撞的频率，其对应的截面（cross-section）不能大于 4.5 × 10⁻²⁸ 平方厘米。这一发现尤为重要，因为它覆盖了一个传统地下探测器无法触及的质量范围，因为这些粒子的重型、复合特性会导致它们在那些实验中失去信号相干性。
最终，这项实验并未发现暗物质，但它成功绘制了一片新的疆域。通过证明磁悬浮传感器可以稳定运行数月之久并具备必要的灵敏度，该团队证明了寻找最重暗物质形式的一条可行路径。他们表明，宇宙可能将其最重的粒子隐藏在一个此前对我们而言不可见的质量范围内，并且他们已经为这些粒子可能存在的地点提供了第一个具体的边界。搜寻仍在继续，但寻找最重暗物质候选者的工具已稳稳掌握在手中。
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