科學家借LIGO探索暗物質，或有新奇招！

一項新的研究在《物理評論快報》（PRL）發表，提議利用像 LIGO 這樣的引力波探測器來探尋標量場暗物質。

暗物質，一種難以捉摸的物質形式，在宇宙中可觀測物質中佔比高達 30%。它不吸收、不發射也不反射光，因此對我們來說是不可見的。

由於它對可見物質產生的引力效應，例如星系團的運動和星系的旋轉，我們才推斷出它的存在。由於其難以捉摸的性質，它引起了科學家們的廣泛興趣。但是，儘管進行了廣泛的研究，其性質仍然未知。

這項由卡迪夫大學的亞歷山大·塞巴斯蒂安·戈特爾博士領導的 PRL 研究，對一種被稱爲標量場暗物質的特定暗物質候選者的探尋進行了探索。戈特爾博士向 Phys.org 談到了這項研究。

“我最近從專注於太陽中微子的粒子物理學領域轉向了引力波數據分析。利用 LIGO 尋找暗物質的機會似乎是將我在這兩個領域的專業知識加以應用，同時能讓我更多地瞭解干涉測量法的理想方式，”戈特爾博士說。

引力波探測器是高度靈敏的設備，能夠檢測時空中的微小扭曲，也就是（又名）引力波。

激光干涉引力波天文臺（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，簡稱 LIGO）使用激光干涉儀來探測引力波。該裝置由兩條呈直角的 4 千米長的臂構成。一束激光被分成兩束，並沿着每條臂發送。

引力波會拉伸和壓縮時空本身，由於它們本質上是橫向的，會導致其中一條臂的距離拉伸，而另一條臂壓縮。這意味着光沿每條臂傳播所花費的時間不同。

然後，這兩束光通過鏡子被送回中心，並測量干涉圖樣。干涉圖樣的變化就是 LIGO 探測引力波存在的方式。

暗物質的一種假設形式是標量場暗物質。這些是超輕的標量玻色子粒子，意味着它們不存在內在的自旋或方向性。簡單來說，如果它們在空間中旋轉，其性質將保持不變。

標量場暗物質在理論上被認爲與物質和光的相互作用很弱。這種弱相互作用加上其低質量意味着標量場暗物質可以表現出波狀結構，擴散並重疊形成波型。

這使它們能夠形成穩定的結構，例如暗物質雲，能夠在太空中移動且不會散開。

標量場暗物質的這一特性，是利用引力波探測器（比如 LIGO）來尋找它們的關鍵所在。

研究團隊運用了 LIGO 第三次觀測運行的數據，還將搜索範圍拓展到更低的頻率（10 至 180 赫茲），提升了靈敏度，超越了之前的工作成果。

雖然此前的研究考慮到了標量場暗物質對分束器的影響，類似於引力波的影響，不過研究人員還將對干涉儀臂中鏡子的影響納入了進來。

“在原子層面，你可以想象暗物質場跟電磁場一同波動。暗物質場的振盪有效地改變了基本常數，也就是精細結構常數和電子質量，而這些常數掌控着電磁相互作用，”戈特爾博士說道。

由於暗物質振盪會影響宇宙中的每一個原子，研究團隊着重考慮了暗物質振盪對干涉儀臂中的測試質量或反射鏡所產生的影響。

戈特爾博士進一步解釋道：“所有物質都會受這些振盪的影響，不過儀器其他部分的振盪對通過的激光束要麼毫無影響，要麼影響甚微，而這正是我們所能檢測到的。”

研究團隊開發了一個理論模型，以瞭解標量場暗物質如何與 LIGO 組件、分束器和測試質量相互作用。

在此之後，他們使用模擬軟件來了解如果標量場暗物質存在，它將如何影響 LIGO 的輸出。該模擬爲他們提供了應當在 LIGO 數據中尋找的信號或異常類型的思路。

然後，研究團隊使用 LIGO 的數據，並應用一種稱爲對數譜分析的方法來識別與標量場暗物質的預測效果相匹配的模式或信號。

該團隊在 LIGO 數據中無法找到標量場暗物質的令人信服的證據。然而，他們能夠爲暗物質與 LIGO 組件之間相互作用的強度設定新的上限。

這種耦合強度就是閾值，超過此閾值便能檢測到標量暗物質的存在。在這個特定的頻率範圍內，這種耦合強度的值比以前的工作提高了 10,000 倍。

“我們是首個考慮測試質量中額外微分效應的，這些效應在低頻時極爲顯著。通過將其與一種新的能最大限度提高數據中統計能力的分析方法相結合，我們取得了極大的改進成果，”戈特爾博士總結道。

該研究提出了預測核心光學變化影響的方法，表明鏡子厚度的小幅調整能夠帶來顯著的改進。研究團隊還估計，未來的探測器將能夠超越甚至間接搜索方法，並能夠排除整個類別的標量暗物質理論。