Search for dark photon dark matter near using a superconducting mixer
本文展示了利用超导混频器在 1 meV 附近直接搜寻暗光子暗物质，在未探测到显著信号的情况下，为动力学混合参数建立了具有竞争力的上限。
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几十年来，宇宙一直隐藏着一个静默的秘密。虽然我们可以看到恒星、星系和气体云，但宇宙的大部分是由某种看不见的东西组成的。我们将这种缺失的质量称为“暗物质”，但我们从未直接探测到过哪怕一个这样的粒子。一种领先的理论认为，暗物质可能由一种被称为“暗光子”的粒子组成。与让我们看见世界的可见光子不同，这些暗光子几乎没有质量，且极少与普通物质发生相互作用。然而，该理论允许暗世界与我们的世界之间存在一种微弱、近乎隐形的联系。如果这种联系确实存在，暗光子在撞击金属表面时，偶尔可能会转化为普通的可见光粒子。发现这种微弱的、转化而来的光将是一项里程碑式的发现，它将证明暗物质的存在，并揭示一种新的自然力。
日本的一个研究小组现在向捕捉这种难以捉摸的信号迈出了重要的一步。他们建造了一个专门的超灵敏接收器，旨在监听如果暗光子确实存在于我们附近时会出现的一种特定类型的光。该团队将搜索重点放在了接近一千分之一电子伏特的质量范围内，这一尺度对应的光波频率约为 243 GHz。这个频率远高于标准无线电接收器所能处理的范围，处于毫米波波段的深处，传统的电子设备在该波段工作时很难避免引入过多的噪声，从而淹没信号。为了解决这个问题，科学家们转向了一种被称为“超导混频器”的装置。这种组件被冷却到仅比绝对零度高出几度的温度，可以将这些高频波转换为标准放大器可以极高精度测量的低频信号，同时将背景噪声降至最低。
实验在京都大学的一个实验室中进行，研究人员设置了一块大型铝板作为转换表面。其原理是，如果暗光子正穿过实验室，它们会撞击这块金属板并转化为普通的光子，随后这些光子会从表面反射并向喇叭天线传播。天线安装在低温接收器上，负责捕捉这些微弱的信号。整个装置都经过了屏蔽和冷却处理，以确保没有杂散热量或干扰能模拟出他们正在寻找的微小信号。团队收集了大约一小时的数据，扫描了一个非常窄的频谱切片。他们分析了接收到的信号功率，寻找是否有一个在自然宇宙噪声平滑背景中脱颖而出的尖锐、窄脉冲。这样的脉冲将是暗物质转化为光的“指纹”。
在仔细检查数据后，研究人员并未发现此类脉冲。功率水平保持稳定，符合没有暗光子存在时的预期情况。虽然这听起来是一个“空结果”，但对于该领域而言，这是一项至关重要的信息。通过未能发现信号，该团队能够对暗光子与普通物质相互作用的强度设定严格的上界。他们确定，如果这些粒子确实存在，它们与我们世界的连接强度必须弱于一个特定的阈值，大约为十亿分之一。这一限制水平与科学家通过观测太阳所获得的最佳约束相当，但它是通过实验室环境下的直接搜索实现的。这项工作证明了所使用的技术——特别是超导混频器——是这一质量范围内搜寻暗物质的一种可行且强大的工具。
展望未来，研究人员并不会止步于这单一的频率。他们计划升级设备，以提高灵敏度并覆盖更广泛的质量范围。他们打算在装置中增加一面大型聚焦镜，这将使他们能够收集到比最初测试中使用的微型天线多得多的转化光。他们还在开发新型光谱仪，使其能够一次性扫描宽阔的频率区间，而不是仅仅扫描一个极小的切片。通过这些改进，他们的目标是探索 0.7 到 1.1 毫电子伏特的质量范围，这是一个目前知识相对匮乏的区域。尽管这次他们没有发现暗物质，但他们成功演示了一种寻找它的新方法，将一个理论上的可能性转变为一种切实可行的、可测量的搜索，使我们离理解这个隐形宇宙又近了一步。
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