设计新型暗物质探测器

需要什么才能探测暗物质——一种看不见、几乎无形的物质，可能占宇宙中所有物质的六分之五？暗物质应该就在我们周围，对正常物质产生微小的影响，但迄今为止的搜索结果一无所获。但一项新的研究表明一个策略运用机器学习可以帮助量子传感器最终找到它。这样的超灵敏传感器还可能有其他应用，例如无GPS导航，探测地下掩体，并发现引力涟漪从大爆炸后的那一刻开始的时空。

我们知道暗物质的存在是因为它对星系运动的引力影响。但我们不知道它是由什么构成的，也不知道它如何与构成你或我的日常粒子相互作用。尽管科学家们已经设想了数十种暗物质潜在成分和精确特性的模型，但大多数建议都预测对正常粒子的影响无穷小。检测这些微小相互作用的一种可能性是量子传感器。量子效应很容易受到外界干扰，量子传感器利用这种脆弱性来响应环境中最轻微的干扰，例如暗物质和正常物质之间的相互作用。

这项新研究的重点是原子干涉仪，这是一种依赖于叠加效应的量子传感器，在叠加效应中，一个原子基本上可以同时存在于两个或多个位置。传感器有这些薛定谔的猫状状态原子沿着不同的路径飞行，然后重新组合。由于粒子波二象性（粒子可以像波一样运动，反之亦然）的量子现象，这些原子相互干扰，波峰和波谷相互抑制或增强。检查这种干扰可以揭示不同旅程中经历的稍微不同的运动的程度。

科学家用来提高这些干涉仪灵敏度的一种方法依赖于这些传感器用来分裂原子波并将它们反射回彼此的激光脉冲。这些激光脉冲取代了光学干涉测量中的传统镜子。每当原子波在其中一个短暂的镜子上反弹时，“我们正在寻找的信号就会被放大，就像光信号在镜面腔体中反弹时会被放大一样，”伊利诺伊州埃文斯顿西北大学物理学和天文学助理教授蒂莫西·科瓦奇 (Timothy Kovachy) 说道。

然而，原子波经历这种反射的次数取决于原子镜的质量，而“制造好的原子镜相当困难”，科瓦奇说。

现在，在这项新研究中，科瓦奇和他的同事揭示了一种增加原子镜反射次数的策略。使用机器学习，新方法不是从最多大约 10 个激光脉冲的序列反射原子波，而是启用大约 500 个脉冲的序列。

更灵敏的原子干涉仪

新策略——并不坚持制造完美的原子镜，”科瓦奇说。– 相反，它寻找一种方法来提高许多不同原子镜的集体净作用，补偿每个单独原子镜的缺陷。 – 结果是原子干涉仪的性能提高了 50 倍实验室测试中的表现。

“当我们开始这项工作时，我并没有真正想象过能够取得如此程度的改进，”科瓦奇说。“当有惊喜时，总是好的。”

科瓦奇说，研究人员现在希望通过“利用原子干涉仪进行暗物质的首次重大搜索活动（目前正在建造中）”来实施他们的新技术。– 我们预计第一批搜索将在三到五年左右上线。我们希望与更好的原子光学器件相结合，将其灵敏度提高到原子干涉仪目前能力的多个数量级。”

科瓦奇说，更精确的原子干涉仪可能还有其他应用，例如无 GPS 导航。帮助实现全球导航卫星系统的卫星链路不能在水下或地下工作，而且在它们工作的地方，它们很容易受到干扰、欺骗和天气的影响。量子运动传感器可以帮助作为惯性导航不依赖任何外部信号的系统。

科瓦奇补充说，原子干涉仪也可以帮助测量地球引力场的强度，它在整个行星表面上可能会有所不同，具体取决于集中在其下方的质量量。此类的潜在应用重力传感器包括观察隐藏的地下结构、探测地下自然资源、发现地下考古遗址以及监测火山活动和地下水流。

“我并没有真正想象过能够获得如此程度的改进。”– 蒂莫西·科瓦奇，西北大学

正在开发的100米高甚至更大（相比之下，标准原子干涉仪只有1或2米高）的大型原子干涉仪有一天甚至可能有助于探测时空中的涟漪，即引力波。科学家们利用激光干涉仪引力波天文台 (LIGO)2015年，可能是两个黑洞碰撞造成的。理论上，原子干涉仪可以探测来自显着不同事件的引力波，例如神秘的提议纪元通货膨胀科瓦奇说，宇宙在大爆炸后不久经历了一次巨大的增长。

未来的研究应该使用不同类型的原子干涉仪来研究这项新技术。在这项新研究中，科学家们试验了一种基于锶原子的装置，但“铷原子绝对是原子干涉测量的主力，”科瓦奇说。

科学家详细介绍了他们的发现12 月 11 日发表在杂志上物理评论快报。