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下一代引力波探測器可以鎖定暗物質

引力波


下一代引力波探測器可以鎖定暗物質


假設T = 1年的觀測時間和當地DM密度ρDM = 0.46 GeV/c2/cm3，來自LIGO、LISA、GQuEST和全息儀的隨機DM信號的預計90%上限 。限值通過設置等式(1)中定義的第10百分位SNR得出 。學分:arXiv (2023) 。DOI: 10.48550/arxiv
據今日宇宙（安迪·托馬威克）：引力天文學是一個相對較新的學科，它為天文學家打開了許多大門，讓他們了解這個巨大而暴力的天平是如何工作的 。它已經被用來繪制合并黑洞和宇宙中其他極端事件的地圖 。現在，來自加州理工學院沃爾特·伯克理論物理研究所的一個團隊認為他們對這項新技術有了新的用途——限制暗物質的性質 。
正如我們之前多次報道的那樣，暗物質是構成宇宙中絕大多數質量的物質 ， 但對于正常的電磁波來說是不可見的，這使得我們幾乎不可能以我們通常認為的方式“看到” 。然而，這些粒子，如果事實上是這樣的話 ， 確實與另一種基本力——重力——相互作用 。
這將使它們成為引力波(GW)天文臺研究的潛在目標 。但是這項工作有幾個基本假設 。首先 ， 暗物質是一種“宏觀”現象——也就是說，它不受量子力學世界的約束 。引力波可能只會對作者所謂的超重暗物質起作用，在他們的上下文中，超重暗物質指的是物體本身的質量 。
設計用來探測重力方式的干涉儀，可能會接收到受到足夠重的粒子影響的信號 。特別是，這些粒子會影響引力波的三個不同特征，其中兩個是arXiv預印服務器上一篇新文章的作者首次計算的 。
第一個是多普勒效應 ， 每個高中物理系的學生都學過，典型的例子是當救護車向你駛來和遠離你時，它們的聲音是不同的 。引力波也發生了同樣的現象，因為它們對時空的影響類似地取決于它們的來源相對于GW天文臺的移動方式 。
為了更細致地觀察暗物質可能會影響GWs，作者研究了夏皮羅和愛因斯坦延遲 。夏皮羅延遲是信號從干涉儀的一端傳到另一端所需時間的變化 。這可以根據沿干涉儀臂的某處是否存在時空壓縮來改變 。另一方面，愛因斯坦延遲是干涉儀用來測量引力波的時鐘的實際延遲 。然而，在特定的干涉儀配置中，這種效應會相互抵消 。
作者從所有這些中得出的結論是，預計將很快上線的現代GW天文臺，如加州理工學院時空量子糾纏(GQuEST)實驗的重力 ， 應該能夠探測到過境的暗物質 ， 如果它足夠大，可以被認為是“超重的” 。但是這篇論文中還有另一個微妙之處，它耐人尋味，指向了對潛在物理學更深刻的理解 ， 
世界各地的物理學學生學習基本力——重力、電磁力、強核力和弱核力 。但是 ， 可能有第五種力量，目前我們還沒有發現 。這種力被稱為湯川相互作用，是理論上的第五種基本力，作用于暗物質和經典物理學學生更熟悉的更傳統類型的粒子之間——在理論物理學中 ， 它們被稱為重子 。到目前為止，還沒有任何關于這種力存在的確鑿證據 ， 但一些實驗已經開始致力于限制它 。根據這篇論文，如果它確實存在 ， 這些相同的GW探測器可以在幫助進一步限制它方面發揮作用 。
找到一種新的基本力，并解決困擾理論物理幾十年的一個謎，對于一門相對較新的科學來說是一個沉重的負擔 。但這正是科學本身前進的方式——利用新技術進行進一步測量 ， 證明或否定新理論 ?，F在，在很長一段時間之后，是引力天文學大放異彩的時候了 。