麻省理工学院的ABRACADABRA仪器：从帽子中拉出暗物质的秘密

麻省理工学院的研究生Chiara Salemi和Lindley Winslow教授使用ABRACADABRA仪器揭示对暗物质的见解。

在麻省理工学院核科学实验室的一楼，挂着名为“带放大B场环形仪的宇宙/轴共振探测宇宙轴力方法”的仪器，简称ABRACADABRA。顾名思义，ABRACADABRA的目标是检测轴，这是一种可能是暗物质的主要成分的假想粒子，而暗物质是构成整个宇宙的未知物质，至今尚未解释。

Chiara Salemi在ABRACADABRA打开的情况下展示了内部的磁铁。

对于吉拉德·萨利米（Jiara Salemi），林德雷·温斯洛（Jerrrold R. Zacharias）物理职业发展副教授林德利·温斯洛（Lindley Winslow）小组的四年级物理学研究生来说，ABRACADABRA是在攻读博士学位期间进行研究的理想工具。Salemi说：“我想要一个小的实验，这样我就可以完成所有不同的实验。”ABRACADABRA由一个屏蔽良好的磁铁组成，与篮球一样大。

萨利米（Salemi）在各个方面工作的意愿是独一无二的。温斯洛解释说：“实验物理学大致由三个部分组成：硬件，计算和现象学。”学生倾向于这三者之一。温斯洛说：“基亚拉的亲和力和优势平均分布在这三个领域。”“这使她成为一个特别坚强的学生。”

自从开始博士学位以来，Salemi一直从事从更新ABRACADABRA的电路到第二次运行到分析仪器的数据以寻找暗物质粒子的第一个迹象的所有工作。

一次快乐的意外

萨利米刚上大学时，她并没有打算追求物理学。“我倾向于科学，但是我不确定那是科学还是我想要的领域。”在北卡罗来纳大学教堂山分校的第一学期中，她修读物理学，旨在确定这是否是她可能感兴趣的领域。“然后，我完全爱上了它，因为我开始做研究，研究很有趣。”

在她的整个大学生涯中，Salemi收集了研究经验。她在西弗吉尼亚州经营射电望远镜。她在瑞士日内瓦呆了一个学期，在欧洲核研究组织（CERN）寻找希格斯玻色子衰变。在劳伦斯伯克利国家实验室，她修补了用于检测中微子的半导体设计。在这些研究经验之一（伊利诺伊州Fermilab的一个夏季计划）下，她开始使用斧头。“就像生活中的许多事情一样，这是一次意外。”

麻省理工学院的团队成员乔纳森·厄勒莱特（Jonathan Ouellet），林德利·温斯洛（Lindley Winslow），基亚拉·萨勒米（Chiara Salemi）和雷伊·亨宁（Reyco Henning）（来自UNC – Chapel Hill）使用ABRACADABRA，该仪器用于检测假想的轴突。

Salemi申请了夏季计划，因为她想继续从事中微子研究，而“ Fermilab是中微子万物的中心。”但是当她到达那里时，萨莱米发现她被分配去从事斧子的工作。“我感到非常失望，但最终我爱上了轴子，因为轴子真的很有趣并且与其他粒子物理实验不同。”

粒子物理学的标准模型解释了宇宙中的基本粒子及其调节相互作用的力。这个名字掩盖了这一理论的重要性。 1970年代初开发的标准模型描述了亚原子世界中的几乎所有事物。萨利米说：“但仍有一些巨大的漏洞。”“而这些巨大的漏洞之一就是暗物质。”

暗物质是我们看不到的物质。与正常物质不同，后者与光发生相互作用-吸收，反射，发射光，而暗物质则不会或几乎不会与光发生相互作用，从而使肉眼和当前的仪器都看不到它。它的存在是通过对可见物质的影响来推断的。萨莱米说，尽管它看不见，但暗物质却要丰富得多。“宇宙中的暗物质比正常物质多五倍。”

类似于由中子，质子和电子等粒子组成的可见物质，暗物质也由粒子组成，但是物理学家仍然不知道确切的类型。一种选择是斧头，而ABRACADABRA就是为了找到它而设计的。

小而强大

与CERN的大型强子对撞机相比，ABRACADABRA的体积很小，它可以检测提议的粒子，其周长为16.6英里。对于Salemi而言，该仪器代表了桌面物理新时代的代表。创建越来越大的工具来追寻越来越难以捉摸的粒子一直是首选策略，但是这些工具变得越来越昂贵。萨莱米说：“因此，人们提出了关于如何进行发现的各种非常有趣的想法，但预算却较小。”

ABRACADABRA的设计由三位理论家于2016年开发：物理学副教授杰西·泰勒（Jesse Thaler）；本杰明·萨夫迪（Benjamin Safdi），然后是麻省理工学院（MIT）的帕帕拉多（Pappalardo）研究员；以及当时的Thaler研究生Yonatan Kahn博士’15。实验性粒子物理学家温斯洛（Winslow）接受了该设计，并提出了如何使其成为现实的方法。

ABRACADABRA由一系列呈环形的电磁线圈组成-描绘出一个细长的甜甜圈-包裹在超导金属中，并保持在绝对零附近冷藏。萨莱米（Salemi）所说的磁铁大约是一个大葡萄柚的大小，它会在环形线圈周围产生磁场，但不会在甜甜圈孔中产生磁场。她解释说，如果存在轴并与磁场相互作用，则第二个磁场将出现在甜甜圈孔中。“我们的想法是，除非有斧头，否则那将是一个零场区域。”

为实验进行理论设计并使其投入运营可能需要10年甚至更长的时间。ABRACADABRA的旅程要短得多。温斯洛说：“我们从2016年9月发表的理论论文到2018年10月的结果。”温斯洛说，环形磁铁的几何形状提供了一个自然较低的背景区域，即甜甜圈孔，可以在其中寻找轴突。温斯洛说：“不幸的是，我们已经度过了轻松的一刻，现在必须减少那些本已很低的背景。”温斯洛说：“基亚拉（Chiara）率先将实验的灵敏度提高了10倍。”

为了检测由轴产生的第二个磁场，您需要一种非常灵敏的仪器，并且还要屏蔽外部噪声。对于ABRACADABRA，这种屏蔽来自于超导材料及其严寒的温度。即使有了这些防护罩，ABRACADABRA仍可以检测到在实验室中行走的人，甚至可以从马萨诸塞州波士顿附近的广播站接听广播。Salemi说：“实际上，我们可以从我们的数据中收听电台信息。”“这就像最昂贵的收音机。”

如果检测到轴突信号，Salemi及其同事将首先尝试反驳该信号，寻找所有潜在的噪声源并逐一消除它们。据萨莱米介绍，检测暗物质意味着获得奖励，甚至获得诺贝尔奖。“因此，如果不花费很长时间来确保其正确性，就不会发布这种结果。”

ABRACADABRA首次运行的结果已于2019年3月在Salemi，Winslow等人在麻省理工学院物理系的《 Physical Review Letters》中发表。没有检测到轴心，但运行指出了该团队可以做出的调整，以提高该仪器的灵敏度，直到2020年1月开始第二次运行。Salemi说：“我们一直在设置，运行和分析运行2大约一年半。”目前，所有数据已收集完毕，该小组正在完成分析。其结果将在今年晚些时候发布。

当他们准备将这些结果发布时，Salemi和她的同事已经在考虑用于深色物质无线电的下一代轴测探测器，称为DM无线电。Salemi说这将是一个更大的，多机构的合作，并且新仪器的设计仍在构思之中，包括确定磁铁的形状。“我们有两种可能的设计：一个是甜甜圈形状，另一个是圆柱形状。”

对轴的搜索始于1977年，当时它们是首次被理论化，自1980年代以来，实验物理学家一直在设计和改进用于检测这种难以捉摸的粒子的仪器。对于萨莱米（Salemi），继续研究轴心直到发现轴心都将是惊人的，尽管没有人能预测到何时会发生。“但是，从头到尾都看到实验性的低质量轴突暗物质吗？我能做到的，”她说。“手指交叉。”