物理

巨大的原子雲

製造數公尺以上的「原子波動」,有助於探索暗物質與重力波。

撰文/伍德(Charlie Wood)
翻譯/宋宜真
2020-03

物理

巨大的原子雲

製造數公尺以上的「原子波動」,有助於探索暗物質與重力波。

撰文/伍德(Charlie Wood)
翻譯/宋宜真
2020-03


研究人員即將透過微小尺度審視大自然,他們把超冷原子放進100公尺高的真空管中,讓它們擴展至數公尺。這項實驗要探索原子的波動性,藉此在奇異的量子領域中尋找漣漪:暗物質的蹤跡以及新的重力波頻率。


八家機構的研究人員合力把美國伊利諾州的礦井改造成世上最大的原子干涉儀「物質波原子梯度儀干涉感測器」(MAGIS-100)。在設計定案後,他們預計於2021年組裝這部儀器,接著利用雷射把微觀的鍶原子擴展為巨觀的「原子波動」。MAGIS-100位於費米實驗室,首席研究員普倫凱特(Rob Plunkett)表示:「2021年夏天,將出現驚人進展。」


這項計畫總計獲得政府和私人資助1230萬美元,結合了精密研究的趨勢,銜接位於一所大學中的「桌上型」實驗以及數十億美元的多年任務,例如大強子對撞機(LHC)和雷射干涉儀重力波觀測站(LIGO)。要尋找暗物質可能具有的性質和大質量,未參與MAGIS計畫的加拿大圓周理論物理研究院研究人員阿凡尼塔齊(Asimina Arvanitaki)評論:「還需要進行一些小規模研究,別孤注一擲。」


MAGIS-100將測量原子雲在雷射操控下自由落下的情況。當雷射脈衝照射到單個原子時,原子基於量子特性,可能既吸收又不吸收雷射的能量,一如薛丁格的貓既生又死的「疊加」狀態。就量子力學而言,從光子到棒球等所有事物都具有波動性,儘管這種性質在較大的物體上通常較為微弱。當MAGIS的雷射適當激發原子雲後,波動性使原子雲在空間中拉伸,吸收到雷射的那一部份運動速度較快。


這部10公尺高的MAGIS原型機位於史丹佛大學,是當今世上最大的儀器之一,已產生超過半公尺的原子波動,創下紀錄;費米實驗室建造的MAGIS-100應能產生數公尺以上的原子波動。當原子波動沿著礦井傳播時,第二道雷射脈衝讓原子雲速度較快與較慢的部份再次重合。研究人員藉由測量這兩部份之間的干涉,精準算出原子雲下墜的加速度。由於原子雲整個過程都是自由落下,地震或地面上卡車引起的震動並不影響測量結果。


MAGIS-100將同時沿礦井的上下半部發出100萬個原子波動,測量大量干涉圖樣(原子雲上半部和下半部之間的干涉),因而能在足球場的距離內偵測出牴觸已知物理定律的微小差異。換句話說,原子雲落下時的任何微小異象,都將顯露有其他物體造成影響,例如原子雲在落下過程中遭遇新粒子。史丹佛大學的物理學家霍根(Jason Hogan)說:「觀察原子雲落下的時間越長,測量結果就越精準。」


至於可能佔宇宙物質約80%的暗物質,雖然難以透過常規方式偵測,卻可能在這項實驗中引發顯著效應。大多數暗物質搜尋計畫皆是尋找已預測的較重的粒子,也就是「弱作用大質量粒子」(WIMP),但科學家遲遲找不到這類較重的粒子,因而必須展開新的計畫。


在為數眾多的暗物質模型中,假設性的超輕粒子(普倫凱特稱之為「未開發的大陸」)備受關注。約翰霍普金斯大學理論物理學家拉詹卓(Surjeet Rajendran)也參與MAGIS,他認為這些粒子可能以幾種方式影響我們已知的粒子。MAGIS-100應該能夠偵測到兩種現象:基本常數的變動以及假設性的第五種基本作用力(可能源自比電子輕盈1021倍的粒子)。與現有儀器相比,MAGIS-100對這些現象的靈敏度將高出數百到數千倍。


有些研究人員偏好尋找理論所預測的特定性質粒子,有些則希望在技術允許範圍內盡可能佈下天羅地網。高能粒子對撞機已經澈底搜索交互作用較強的重粒子,但是粒子物理學標準模型似乎仍然缺少關鍵資訊。未參與MAGIS的華盛頓大學物理學家瑞卡(Gray Rybka)評論:「有些人認為,較低質量的粒子會是較容易發現的目標。就我所見,持這類想法的人數在過去十年來已成長數倍。」


阿凡尼塔齊表示,即使不知道明確目標,MAGIS仍將「大幅擴展當前實驗能達到的搜尋範圍」。


MAGIS-100無法用於揭露暗物質的作用機制,卻可以用於構思未來的重力波探測器。儘管MAGIS-100無法偵測到重力波,卻能用於測試並開發未來升級的技術:讓原子雲落下時擴展至上下相距一公里,以探測更小的空間擾動。這種新技術可以偵測特定範圍的重力波頻率,比LIGO所能偵測的低,又高於未來太空探測器「雷射干涉儀太空天線」(LISA)的偵測範圍,例如黑洞和中子星碰撞前產生的重力波。「MAGIS-1000」可為望遠鏡提供兩個天體即將碰撞的預警。


研究人員期待藉由MAGIS-100,開闢尋獲超輕暗物質的新途徑。美國西北大學專研雷射系統的物理學家科瓦奇(Tim Kovachy)說:「我們必須竭盡所能,澈底調查一切。」