暗物质是什么构成的（暗物质的组成成分）

质量更小：弱相互作用重粒子可能不是重量级粒子

美国科学家提出了一种新的探测器，这种探测器对低质量的暗物质粒子很敏感，就目前的实验而言，这种粒子太轻了无法检测。该装置以超流体氦-4为核心，通过与弱相互作用重粒子（WIMPs）的碰撞，利用场电离发现从超流体表面喷射出的单个氦离子。

自20世纪初以来，物理学家们通过恒星和星系的速度比理论值高得多推断出暗物质的存在，而对引力波的观测则排除了一些其他导致恒星和星系转速过快的假说，从而进一步证明了暗物质的存在。

尽管在世界范围内进行了数十次实验合作，暗物质粒子仍没有被直接探测到，但弱相互作用重粒子（WIMPs）仍然是大多数物理学家青睐的候选暗物质粒子。

未经探索的领域

迄今为止进行的暗物质调查主要集中在质量较大的粒子上，对于质量小于10MeV/c2（约为质子质量的10倍）的粒子相对不敏感。

一些理论指出弱相互作用重粒子的质量低于这个值，所以为了填补这个差距，美国布朗大学的研究人员汉弗莱·马里斯，乔治·赛德尔和德里克·斯坦构思了一个探测器模型，可以将能探测到的质量下限提升三到四个数量级。

该团队决定使用4He作为探测器质量，因为它在每次碰撞中相比重于它的目标能够吸收更多的能量，并且它较低的内部放射性能将假阳性结果降至最低。当暗物质粒子与目标相互作用时，反冲的氦原子有望触发声子和旋子，这就是准粒子激发态，在超流体4He中这些激发态的粒子可以在没有散射的作用下传播。当这些处于激发态的粒子到达超流体表面时，氦原子就会被量子蒸发排除。

十年前，马里斯，赛尔德和他们在布朗大学的同事们为HERON中微子探测器开发了类似的技术。在那个实验中，蒸发的氦原子沉积于悬浮在超流体上方的硅晶片量热计上，导致温度显著升高。“如果大量的能量沉积在液体中，从而产生许多旋子和原子，这种方法就有很好的效果”Maris解释说，“但这种方法不适用于检测少量原子，如果能量沉积是由质量为1兆电子伏的暗物质粒子造成的，那么这些原子将被蒸发”。

单原子的敏感性

这种新方法的新奇之处在于它对单个原子的敏感性。这让能检测到的最小转移动能（暗物质碰撞传递给氦原子核的能量）等于氦原子对液体的结合能。由于现有的大量程的热量计对如此微小的能量不敏感因此只有在第一次显著加速时才能检测到低速喷出的单个氦原子。

布朗大学研究小组给出的方法是让蒸发的氦原子通过带正电的金属尖端阵列，局部的强电场让氦原子发生电离，产生的正离子在电流热量计可监测到的能量范围内加速向阴极移动。

“增加的场电离揭示了探测氦中能量沉积的可能性，与我们之前的工作相比，氦的能量沉积要小大约1万倍。这将让我们有可能探测到质量范围远低于之前能探测到的暗物质粒子，”马里斯告诉physicsworld。假定暗物质分布的标准晕模型——星系被单一类型的WIMPs（弱相互作用重粒子）均匀渗透，而且粒子的最大速度是该星系的逃逸速度，研究人员希望这种单原子敏感性可达成的效果为能够检测到的暗物质颗粒质量为0.6MeV/c2 或小于质子质量的千分之一。

该小组还提出了一种获得更大灵敏度的解决方案，利用固态晶体靶代替氦作为探测器的质量，该晶体靶也容易受到碰撞WIMPs产生的声子的影响。覆盖晶体的氦膜将表现出相同的激发诱导的量子蒸发效应，但声子的能量阈值却更低。通过在超纯靶晶体上衬几层铯（与4He的结合能力特别弱）可以使氦原子薄膜进一步将WIMP质量灵敏度降低几个数量级。