搜尋契合的暗物質波長

━━━━━━

暗物質，這種宇宙中存在最多的物質形態，既看不到，又摸不著。但即便如此，在萊斯利?羅森博格（Leslie Rosenberg）眼中，所見之處，幾乎處處都有暗物質存在。就像大部分物理學家一樣，羅森博格從太空中發現了眾多關於暗物質存在的證據。在旋轉的星系中，在宇宙碰撞的餘波里，在如大網一般搭載著宇宙發光物質的無盡浩瀚之中，暗物質無所不在。

但羅森博格希望還能在我們身邊發現暗物質。幾乎可以肯定的是，暗物質就像源源不斷流經乳酪紗布的水流一樣蔓延掠過我們生存的地球。但是，羅森博格這位華盛頓大學（位於西雅圖）的教授認為，他也許有辦法讓暗物質現形。

在大學校園邊緣之處，一座倉庫般的巨大實驗室的水泥地面上坐落著軸子暗物質實驗機（ADMX），它擁有全世界最靈敏的無線電接收機，在其頻率範圍內可以最大程度地捕捉無線電信號。它的建造者樂於誇耀的一點便是，如果把這台探測器放到火星上，在沒有任何干擾的情況下，它甚至可以捕捉到來自地球的手機信號。

若要抓住一切發現暗物質的機會，這種靈敏度是必不可少的。根據20世紀30年代的一系列觀察結果，天文學家估計，宇宙中每存在1公斤的正常物質——無論是氫、硅、混凝土還是羽毛——便對應存在大約5公斤的暗物質。儘管暗物質無處不在，但沒有人知道這種物質的組成結構。人們只知道，除引力作用外，暗物質與普通物質之間幾乎沒有任何相互作用。

ADMX的設計目的便是搜尋一種主要的暗物質候選體：軸子。目前，經過多年的研發努力，羅森博格和他的同事們也許很快就可以最終看到這種難以捉摸的粒子了——如果這種粒子真的存在的話。一套新的低溫冷卻系統將能夠把ADMX探測器的溫度降到僅有0.1開，令實驗設備達到最高敏感度。然後，探測器將掃描無線電頻帶，以期真正調諧至暗物質的波長，將軸子轉變成精密的量子電子設備能夠發現並增強的電磁輻射。羅森博格的合作研究者、加州利福摩爾市勞倫斯利福摩爾國家實驗室的研究科學家吉安保羅?卡羅西（Gianpaolo Carosi）表示，現在能否找到暗物質可能就在於能否找到正確的頻率，「我們正試圖在一片嘶嘶聲中尋找那個不起眼的聲響。」

━━━━━━

如今，在一系列宇宙補充觀測結果的基礎上，人們已經對宇宙的組成達成了一致意見。天體物理學家估測指出，若要計算宇宙中存在的一切質量與能量，普通物質——包括所有的氣體、塵埃、恆星和行星——只佔總數的大約百分之五。剩餘的部分可以分為兩類未知事物：暗能量和暗物質。

暗能量像是某種迫使空間分離的真空填充場。1998年，人們第一次探測到了暗能量存在的跡象，當時，天文學家們利用恆星爆炸時的亮度測量宇宙距離，並在此基礎上探索宇宙的近期擴張歷史。他們發現，當前的宇宙不僅是單純擴張那麼簡單，它還以不斷增加的速度在擴張。

然而，暗物質是困擾人們時間更久的一個謎。早在20世紀30年代，人們就發現了暗物質的存在，當時，天文學家弗里茨?茲威基（Fritz Zwicky）在測量靠近后髮星系團中8個星系的速度時發現，這些星系的移動速度要遠遠快於其在星團中發光物質的引力作用下的移動速度。因此，茲威基認為一定存在某些看不到的額外質量在對這些星系產生引力作用。

自此，在其他許多地方，暗物質的存在證據也開始突然出現。一些天文學家聲稱，這些看上去像是額外質量的物質實際上是引力定律不適用於大尺度環境的證據。然而，對於許多研究人員而言，這一觀測結果明確指向了一種全新的粒子。找到這種粒子將是人類在理解宇宙基本物理原理方面的重大里程碑。

而軸子正是人們在這些年來提出的眾多暗物質候選體的一種，這些候選體還包括在宇宙大爆炸之後隨即形成的極小黑洞。目前，還有很多人認為最主要的一種候選體——也是最有可能與軸子匹敵的一種粒子——則是弱相互作用大質量粒子（WIMP）。這種假定存在的重量級粒子的質量是光子的數百倍。與普通物質不同的是，WIMP不會對電磁場產生反應，亦不會發光。相反，它們只能通過引力和弱核力發生相互作用。所謂弱核力，其最顯著的一個特徵便是可以導致某些原子中的中子衰變成光子。

如今最熱門的WIMP與超對稱理論密不可分，這一理論是對能夠解釋為何普通粒子被賦予其質量範圍的粒子物理標準模型的潛在延伸。超對稱理論預測存在一種比我們看到的所有物質中的粒子質量都要大的新粒子類型。其中最輕的可能在早期宇宙中大量形成，構成了暗物質。這種粒子同時還可以作為自身的反粒子，因此當兩個此類粒子碰撞時，它們就會湮滅，並在該過程中釋放出光子等粒子。

搜尋WIMP的實驗各種各樣。部分研究人員希望從大型強子對撞機的數據中找尋這種粒子形成的證據。其他研究人員則仔細研究伽馬射線，以求在射線中找到WIMP粒子湮滅時釋放的光線。年復一年，研究人員建造出外形越來越大、靈敏度越來越高的探測器，以期捕捉到經過地球的WIMP。為了將這些探測器與不同粒子穿過地球大氣層時產生的雜亂信號隔離開來，實驗室都被藏在深山中、廢棄的礦井裡，甚至是在南極圈內鑿出的冰洞里。

這些探測器靜候在那些地方，就像捕獲者準備出擊的巨拳，等待著一個人們幻想存在的笨重粒子與一個普通原子發生極度罕見的碰撞。這樣的碰撞將導致原子反彈，引發極小的震動。在部分情況下還會釋放出電子和光子。對光和電荷非常敏感的探測器會捕捉到這些作用。研究人員希望，隨著時間的推移，這種偶然碰撞所釋放出的微弱能量能夠累積成符合一種全新粒子的特徵的信號。在搜尋過程中，季節性的震動非常關鍵，因為暗物質粒子的流動將根據地球在其軌道上的運行位置而發生變化。

伊利諾伊州巴達維亞費米國立加速器實驗室的物理學家丹?霍普（Dan Hooper）說：「我們設計了大約20個不同的實驗，專門用於尋找WIMP。」觀測銀河中心的天體物理學家們發現，光譜中的伽馬射線部分在某一特定頻率出現了罕見的亮度峰值。霍普表示，年復一年，這一信號越來越像是WIMP，但是地面探測器卻還沒有找到任何關於WIMP的確鑿證據，這些近期的探測結果「打擊了研究人員的熱情」。

例如，物理學家們在曾對探測器——大型地下氙實驗機進行了最後的調整，這台實驗設備中含有大約350公斤液態氙。在南達科他州布拉克山下搜尋暗物質的前3個月里，探測器沒有發現任何WIMP的存在證據，徹底推翻了若干模型和此前的實驗中發現的自相矛盾的線索。

除了上述努力之外，我們還有ADMX，這是尋找另外一種主要暗物質的候選體——軸子的唯一實驗設備。與WIMP不同的是，暗物質軸子擁有驚人的輕盈質量，最多只有光子質量的一萬億分之一。如此之輕的質量根本無法像WIMP一樣造成原子反彈。為了形成同樣的重力，暗物質軸子必須以遠超過WIMP的數量存在。數以萬億計的軸子充斥在我們銀河系角落裡的每一立方厘米。但是，哪怕只發現幾個這種類型的粒子也是很大的挑戰，必須依靠幾乎不產生任何雜訊的高靈敏度電子設備。

羅森博格表示，在過去這些年裡，他曾數次對ADMX失去信心，不相信這台設備的敏感度足以發現軸子信號。但現在，隨著WIMP仍舊難以捕獲，而ADMX的搜尋實驗一直在進行中，羅森博格發現態勢發生了轉變。在造訪西雅圖時，我一邊吃著三明治一邊問他WIMP的支持者們會如何看待ADMX。他笑著說：「他們現在在想，『這些豬會找到松露嗎？』」

━━━━━━

研究人員最初在設想軸子的存在性時並未考慮到暗物質。關於這種粒子的構想最早出現在20世紀70年代末期，當時研究人員正試圖解決關於夸克和膠子的一個難題。根據粒子物理學的標準模型，每個光子和中子都由3個夸克構成，而膠子則把3個夸克組合在一起。夸克和膠子具有極強的對稱性：如果將一個粒子與它的反粒子互換，並對調它們的空間坐標，結果會發現它們的行為完全相同。這一點非常出人意料，因為描述夸克和膠子相互作用的理論——量子色動力學——可以輕易地破缺這種對稱性。這種破缺現象在中子的電偶極矩上非常明顯。電偶極矩測量的是在中子內的正電荷靠近該粒子的一端而負電荷更靠近另一端時出現的電場。但是，物理學家們在實驗中盡其所能也沒有發現任何電偶極矩的證據，這意味著上述這種高度的對稱性並非偶然出現的現象。

1977年，斯坦福大學的兩名物理學家羅伯特?派切（Roberto Peccei）和海倫?奎恩（Helen Quinn）在合作發表的論文中提出了一個解決方案：空間中充斥著一個額外的量子場，它類似於重力，會提供一個機制，在這個機製作用下，宇宙會自然地「傾斜」到對稱狀態。緊接著，物理學家史蒂文?溫伯格（Steven Weinberg）和弗朗克?韋爾切克（Frank Wilczek）各自發表論文指出這一量子場的存在性，從而意味著存在與這一量子場相關的量子粒子。聯想到一個一度非常有名的清潔劑品牌（Axion），韋爾切克早已為這種漂亮地解決了所有問題的物質想好了一個完美的名稱：軸子。

在軸子被首次提出後，粒子物理學家試圖在粒子對撞機中尋找這種粒子。然而，軸子並沒有出現，理論家們指出，如果這種粒子的確存在，那麼它一定質量很輕，且幾乎不與其他物質發生相互作用，以至於無法在對撞過程中出現。與此同時，韋爾切克和其他研究人員意識到，這種新的、質量更輕的粒子也許曾在早期的宇宙中以足夠多的數量形成、出現，構成了暗物質。

而如何找到它呢？如果等待足夠長的時間，軸子會自然衰變成兩個光子。但是這一過程可能需要1050秒甚至更長的時間。這大約是暗物質軸子（以及宇宙中的其他物質）形成時間的1032倍。理論學家皮埃爾?席基維（Pierre Sikivie）說：「人們已斷言軸子是一種無形的粒子。（但我說，）讓我來計算一下這種粒子究竟有多無形。」作為20世紀80年代佛羅里達大學的一位新晉教授，席基維教授完他的首輪研究生電磁課程後，尋找有趣的物理問題進行研究。

在對撞機中製造軸子已經是一個低概率事件，而發現軸子亦是如此，從而令問題更加複雜。但是席維基發現，找到已經存在的軸子卻是一個合理的希望。他在一篇1983年發表的論文中概要介紹了一個可行的方案：將這種粒子置於強磁場中。磁場會產生大量的「虛擬光子」——也就是真空狀態下的量子力學震動造成的不停出現和消失的電磁能量。根據導致軸子衰變為兩個光子的相同規則，虛擬的光子可用於觸發軸子轉變為另一個光子。

宇宙音叉

一個強磁場和一台靈敏度較高的低雜訊放大器便可將「不可見」的軸子暗物質粒子轉化為微波輻射。

軸子暗物質實驗機，或稱ADMX（上圖）的核心裝置是一個微波空腔，該銅質圓筒中含有兩組用於調整共振頻率的調諧桿。包裹在圓筒之外的超導線圈可以形成一個強度為8特斯拉的磁場，該磁場會在共振腔的共振頻率下產生大量虛擬光子。在地球沿著軌道運行的過程中，軸子粒子會進入共振腔。如果這些粒子的頻率與虛擬光子的頻率相匹配，部分軸子將轉化為微波光子（下圖）。共振腔內的兩套小型線狀天線會捕捉到相應信號，並將信號傳送到專為高頻操作設計的超導量子干涉儀（SQUID）放大器中。一個反磁線圈會將放大器與主線圈產生的磁場隔離開來。來自ADMX共振腔的信號會通過超導線圈進入每台SQUID（中圖）。在SQUID中，線圈的末端獨立懸掛，而不是形成個完整的迴路。擁有匹配頻率的信號將在線圈和底部磁敏墊圈間形成共振。這一布線上的微小變動可以令SQUID放大頻率更高的信號。

這一方案的關鍵之處在於製造出與軸子頻率相同的虛擬光子：軸子與量子力學中的其他粒子一樣，都屬於一種波，因此都具有相應的波長和頻率。

席基維解釋道：「如果暗物質就是軸子，那麼我們就身處一個這樣的粒子量場中，該量場以軸子質量造成的頻率發生振蕩。」一個強磁場本身就可以製造出大量的虛擬光子，但是這些光子擁有各種不同的頻率。由於其中只有少數光子與軸子的頻率契合，所以只有少數光子能夠觸發軸子轉變。但是席基維認為他可以利用一個高質量因數的電磁腔提高軸子的轉換幾率。在該電磁腔內，處於特定共振頻率的電磁輻射就像風琴管中的聲波一樣來回反彈，幾乎沒有損耗。

由於某些神奇的量子機械原理，上述裝置可以製造出大量頻率與電磁腔的共振頻率一致的虛擬光子。如果振蕩的軸子量場與該頻率一致，那麼軸子便可以轉化為同一頻率的微波輻射。而電磁腔則可以增強該信號。

加州大學伯克利分校的卡爾?范?比伯（Karl vanBibber）表示：「我們都已被這個出色的設想深深折服。」在幾年內，來自紐約州阿普頓的布魯克海文國家實驗室和蓋恩斯維爾的佛羅里達大學的兩支團隊製造出了可置於桌面的小型金屬腔以測試這一理念。研究人員們必須證明的一點是該金屬腔可以調諧共振頻率。由於軸子的質量及其頻率都是未知的，該探測器必須掃過大幅無線電頻譜，直到發現能夠令軸子現身的頻率為止。

這兩支團隊已經證明，可以利用貫穿金屬腔內部的連桿改變金屬腔的內部構造並在較大範圍內調諧共振頻率。但是，這些實驗卻缺乏相應的敏感度，即便在其相互作用力最強的時候也無法看到軸子。至少，研究人員們發現，他們需要強度更高的磁場以提高軸子轉變為光子的幾率。更大的電磁腔可以在任何特定時刻將更多的軸子置於磁場中，因此也有助於提高轉換幾率。

━━━━━━

時間閃回到1989年。當時還在利福摩爾工作的范?比伯一直在為建造新的軸子探測器提供無償幫助。因此，ADMX（儘管當時尚未如此命名）的最早雛形便誕生在一個沒有溫度控制系統、且夏天的最高溫度可達到45攝氏度的舊飛機棚里。

為了創造轉化軸子需要的磁場，范?比伯和他的團隊在1995年購置了一個重6噸、高1米的超導磁圈。他們還設計了一個置於磁圈中心的插入件——油桶大小的鍍銅不鏽鋼空心圓筒。圓筒里插入一套用於控制共振頻率的機動調諧桿以及用於捕捉微波信號的簡易線狀天線。一串超低雜訊、基於晶體管的放大器將強化捕捉到的信號，並將其發送到信號處理設備——將信號頻率降為音頻的一系列混頻器和濾波器。然後，信號將根據快速傅里葉變換演算法轉換為功率頻譜。隨著時間推進，在探測器掃頻過程中，功率是頻率的函數，因此會不斷累積增加。如果探測器發現了軸子，那麼則會出現一個高於雜訊水平的頻譜峰值。

到1996年時，建造工作一直在順利開展之中。即便在當時，團隊也已經意識到，儘管他們製造的探測器可以發現某些類型的軸子，但它的靈敏度還不足以開展細緻深入的搜尋工作。他們可以在一年的時間裡搜尋100兆赫的一小段微波頻譜。即使只在該頻譜窗內，探測器的靈敏度也僅能發現可與電磁場發生強烈相互作用，進而很有可能轉化為光子的軸子。但是，暗物質軸子與電磁場之間的耦合作用卻有可能要弱得多，因此轉化為光子的幾率很低。

為了找到相同頻率範圍內耦合作用最弱的軸子，他們必須延長在每個頻率上的搜尋時間。搜尋工作也許需要50年甚至更長的時間。即使是剛剛研究生畢業就開始從事搜尋工作的物理學家也有可能無法在退休前見證搜尋的完成。為了發現與電磁場相互作用最弱的軸子，系統需要檢測到低至1幺瓦（即10-24瓦）的功率，這一強度相當於從地球上接收到的來自120億公里之外、遠超冥王星運行軌道的先驅者10號的最終信號功率的一千分之一。

羅森博格表示：「如何加速搜尋工作進度一直是個讓我們撓頭的問題。」在最初的信號增強階段，研究團隊已經採用了可以被認為是黃金標準的儀器：高電子遷移率的異質結場效應晶體管放大器。為了將雜訊控制在最低水平，實驗儀器被冷卻到僅高於絕對零度幾度的溫度。但是，為了加速搜尋工作的進行，他們還需要更為安靜的設備。

幸運的是，研究團隊在20世紀90年代末期找到了加州大學伯克利分校的物理學家約翰?科拉克（John Clarke）。科拉克是超導量子干涉儀（SQUID）方面的專家，這種儀器由一個帶有兩個約瑟夫森結的超導環構成。經過超導環的磁場的任何微小變化都會顯示為用常規電子設備即可檢測到的電壓值。

在一次於利福摩爾舉行的研討會之後，科拉克告訴ADMX團隊，原則上，SQUID能夠以更低的雜訊強化軸子信號——大約相當於高電子遷移率晶體管放大器雜訊的四十分之一。這意味著實驗設備的掃描速率將提高1000倍。但是，這其中還涉及一個難題：為了檢測到軸子，SQUID必須在超過1千兆赫的頻率範圍內工作。這完全超出了當時一台標準SQUID的工作頻率範圍（當時的最大頻率範圍約為100兆赫）。其中的障礙便在於寄生電容。信號會作為超導線圈中的電流進入標準SQUID，而超導線圈和SQUID墊圈——即包含超導環和約瑟夫森結的設備組成部分——之間隔有一層絕緣層。在常規操作過程中，墊圈會捕捉到線圈創造的磁場。但在較高頻率下，線圈和墊圈之間的電容會減弱信號的功率，而非將其增大。科拉克實驗室內的研究人員麥克?穆克（Michael Mück）發現，對輸入線圈節進行一定調整將能夠解決這一問題。在他的改造下，線圈的較遠一端將獨立地懸掛在某一處，而不是接入線圈形成一個完整電路。進入線圈內部的信號將從該端彈回。如果信號擁有對應的波長，線圈和墊圈之間將形成一個電磁駐波，該共振作用將增大信號的強度。科拉克表示：「這個小技巧讓之前的存在的寄生電容發揮正面作用。」

到2003年時，ADMX實驗團隊已經擁有了高頻SQUID，並且開始為ADMX建造一個能夠增強天線中信號的新插入件。但是實驗進度還是會比預期要慢一些。為了發揮SQUID的最大功效，實驗裝置的溫度必須降至100毫開，即0.1開。而ADMX之前的設備最低只能在1.3開的溫度下運行。

那麼，這麼小的溫度變化能帶來多少麻煩呢？答案是，會有大麻煩。ADMX實驗團隊必須增加新的低溫設備才能將操作溫度降到100毫開。但是，據羅森博格介紹，美國能源部認為，在實驗過程中使用SQUID本身已經具有「很高的技術風險」。實驗團隊必須確保他們能夠將這種極度敏感的設備與一切外部磁場隔離開來，但同時還得將它安裝在一個磁場強度為8特斯拉（這相當於一台標準核磁共振成像設備的磁場強度的兩倍還多）的超導電磁圈附近。羅森博格說：「僅地球本身的磁場就可以讓SQUID爆表，更不要提我們的實驗裝置產生的磁場了。」最終，實驗被分為兩個階段進行。第一階段是在實驗設備中加裝SQUID，第二個階段是將實驗裝置冷卻到極限溫度。

為了將SQUID與一切外部磁場隔離開來，實驗團隊最終選擇將放大器放置在距磁圈一米的高處。他們製作了一個類似於洋蔥的外殼，利用多層的包裹隔絕磁場。其中最為關鍵的設置是一對逆向纏繞的超導電磁體，被稱為反磁線圈。這一設計將用來抵消主線圈產生的磁場。設計反線圈的時候需要極為謹慎，因為反磁線圈所在的區域內，磁場強度會隨位置變化而發生極大的改變，從而產生極大的作用力。羅森博格說：「實驗裝置的機械容差雖未到精密的地步，但也絕不容輕視。哪怕只有一厘米的誤差，反磁線圈也會瞬間被彈出實驗裝置。」

在經過一個令人緊張不已的開端後，SQUID放大器安裝成功了。到2006年時，實驗的第一階段已經完成。經實驗團隊證明，SQUID可以在高磁場環境內正常工作。2010年，實驗裝置被拆除分解，磁體和共振腔也被裝車運走了。這些部件跟隨著羅森博格從利福摩爾來到了華盛頓大學，在這裡，第二階段的實驗工作剛剛開啟。

━━━━━━

2013年10月，我去造訪西雅圖的實驗團隊，羅森博格帶著我在蜿蜒曲折的電纜、凌亂的實驗設備、一台小的粒子加速器和龐大而又氣派的法拉第籠之間繞行參觀。坐落在灰色調的寬闊實驗廳遠遠一端的ADMX在周圍設備的比較下顯得又矮又小。它的大部分硬體，包括巨大的超導線圈，都被嵌在地板里，以便於研究人員輕鬆接觸到頂端的所有閥門和電子設備。在將液氮輸送入實驗裝置的區域，翻騰的水蒸氣像雲朵一樣凝聚在上空。這正是將探測器內的溫度降至接近絕對零度所需要的第一個步驟。

實驗團隊雖早已開始搜尋軸子的工作，但ADMX卻還在等待一個非常關鍵的組件：稀釋制冷機，該組件將利用氦-3、氦-4混合體將實驗設施的溫度降至100毫開。據利福摩爾實驗室的卡羅西介紹，在該溫度上，「實驗設施將達到它的終極靈敏度」。低溫可以將ADMX當前配置的兩個SQUID所檢測到的雜訊降至最低水平。同時，低溫還可以減少共振腔本身所產生的輻射。與任何帶有溫度的物體一樣，共振腔壁也會產生部分電磁輻射，其中大部分屬於微波頻率。輻射產生的雜訊如不能降到最低，則有可能掩蓋掉少量軸子轉化而成的光子的信號。

ADMX隨時準備以比剛開始搜尋實驗時快1000倍的速度搜尋軸子，以這一實驗速度，實驗團隊在幾年之內就可以完成對大段頻譜的搜尋工作。我們參觀完實驗室，在羅森博格的辦公室坐下來休息的間隙，他對我說：「現在的搜尋工作被我們稱為終極搜尋，如果確實存在軸子，那我們就一定能找到它。」

但事實遠非描述的那麼簡單。實驗過程中還有很多工作要做。物理學家已根據天體物理學觀測結果設定了暗物質軸子的可能質量上限和下限。如果這種假設存在的粒子質量過低，那麼在宇宙大爆炸之後的瞬間會有大量的軸子產生，形成了比已知數量還多的暗物質。而另一方面，如果軸子的質量過高，它將會對天文物理產生影響，為超新星提供另一個能量釋放通道，從而使超新星爆炸較快地平息下來，令那些在不斷膨脹的恆星遺迹中四處飄蕩的中微子等粒子更快地逃逸。

即使物理學家已經設定了相應的界限，但在尋找暗物質軸子的過程中，仍必須在一個高達1000倍的質量變化範圍內進行探測——這意味著對應頻率也存在1000倍的變化範圍（參見插圖「軸子窗」）。ADMX將從最低頻率——300兆赫左右，對應粒子質量的最小可能值——開始探測，然後逐一探測更高的頻率。實驗團隊希望在大約一年的時間內完成對第一段10倍變化範圍內的頻率的探測工作，然後對共振腔尺寸和電子設備進行部分調整，然後開始對第二段10倍變化範圍內的頻率進行探測。

屆時，實驗團隊將對「最優積極」軸子所對應的大部分頻譜範圍展開探測工作。所謂「最優積極」軸子，即特徵屬性最符合天體物理觀測結果和粒子物理理論的軸子。但是，對暗物質軸子的所有可能範圍進行探測仍將是一個巨大的挑戰，特別是頻率的最後一個10倍變化範圍，即30千兆赫到300千兆赫間。據卡羅西介紹，當實驗裝置的頻率達到10千兆赫左右時，共振腔必須縮小到和一個鹽瓶差不多大小。共振腔越小，捕捉到的軸子就越少。為了彌補體積的縮小，實驗團隊必須想辦法製造出大量的小型共振腔。他們還必須設計出能夠同時將所有共振腔調諧到同一頻率的自動馬達，從而可以同時尋找具有同一特定質量的軸子。對此，范?比伯表示：「這真的很難操作。」他和卡羅西曾與耶魯大學和科羅大多大學博爾德分校的一支團隊合作研究如何擴大試驗設施的頻率範圍。但是這並不容易。范?比伯說：「經過幾十年的努力，這個項目才進展到現在這樣，那個關於這種粒子是否真的存在的疑問讓人夜不能寐。但對此我還是十分樂觀的。」

但即使ADMX能夠在從300兆赫到300千兆赫的整個頻率範圍內工作，也有一種可能是暗物質軸子仍藏身他處。率先提出軸子模型的兩個物理學家之一弗蘭克?維爾切克（Frank Wilczek）提出一種可能性：暗物質在大尺度上不均勻地分布在宇宙之中，而我們所在的星球恰恰只有很小一部分暗物質。如果事實如此，軸子的最初形成數量也許比我們觀測結果顯示的數量要多。這意味著，這種粒子的質量可能非常輕，完全有可能超出了ADMX或其他任何同類實驗設施可能探測到軸子的質量範圍。

維爾切克表示他非常欽佩ADMX試驗團隊的創造力。他說：「這是一項非凡的實驗，我希望他們能夠找到軸子。他們值得獲取這樣的實驗結果。但是，最終的結果還是要由事實說了算。」

作者：Rachel Courtland

>>>本文為原創，轉載請回復。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！