科学家借LIGO探索暗物质，或有新奇招！

一项新的研究在《物理评论快报》（PRL）发表，提议利用像 LIGO 这样的引力波探测器来探寻标量场暗物质。

暗物质，一种难以捉摸的物质形式，在宇宙中可观测物质中占比高达 30%。它不吸收、不发射也不反射光，因此对我们来说是不可见的。

由于它对可见物质产生的引力效应，例如星系团的运动和星系的旋转，我们才推断出它的存在。由于其难以捉摸的性质，它引起了科学家们的广泛兴趣。但是，尽管进行了广泛的研究，其性质仍然未知。

这项由卡迪夫大学的亚历山大·塞巴斯蒂安·戈特尔博士领导的 PRL 研究，对一种被称为标量场暗物质的特定暗物质候选者的探寻进行了探索。戈特尔博士向 Phys.org 谈到了这项研究。

“我最近从专注于太阳中微子的粒子物理学领域转向了引力波数据分析。利用 LIGO 寻找暗物质的机会似乎是将我在这两个领域的专业知识加以应用，同时能让我更多地了解干涉测量法的理想方式，”戈特尔博士说。

引力波探测器是高度灵敏的设备，能够检测时空中的微小扭曲，也就是（又名）引力波。

激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，简称 LIGO）使用激光干涉仪来探测引力波。该装置由两条呈直角的 4 千米长的臂构成。一束激光被分成两束，并沿着每条臂发送。

引力波会拉伸和压缩时空本身，由于它们本质上是横向的，会导致其中一条臂的距离拉伸，而另一条臂压缩。这意味着光沿每条臂传播所花费的时间不同。

然后，这两束光通过镜子被送回中心，并测量干涉图样。干涉图样的变化就是 LIGO 探测引力波存在的方式。

暗物质的一种假设形式是标量场暗物质。这些是超轻的标量玻色子粒子，意味着它们不存在内在的自旋或方向性。简单来说，如果它们在空间中旋转，其性质将保持不变。

标量场暗物质在理论上被认为与物质和光的相互作用很弱。这种弱相互作用加上其低质量意味着标量场暗物质可以表现出波状结构，扩散并重叠形成波型。

这使它们能够形成稳定的结构，例如暗物质云，能够在太空中移动且不会散开。

标量场暗物质的这一特性，是利用引力波探测器（比如 LIGO）来寻找它们的关键所在。

研究团队运用了 LIGO 第三次观测运行的数据，还将搜索范围拓展到更低的频率（10 至 180 赫兹），提升了灵敏度，超越了之前的工作成果。

虽然此前的研究考虑到了标量场暗物质对分束器的影响，类似于引力波的影响，不过研究人员还将对干涉仪臂中镜子的影响纳入了进来。

“在原子层面，你可以想象暗物质场跟电磁场一同波动。暗物质场的振荡有效地改变了基本常数，也就是精细结构常数和电子质量，而这些常数掌控着电磁相互作用，”戈特尔博士说道。

由于暗物质振荡会影响宇宙中的每一个原子，研究团队着重考虑了暗物质振荡对干涉仪臂中的测试质量或反射镜所产生的影响。

戈特尔博士进一步解释道：“所有物质都会受这些振荡的影响，不过仪器其他部分的振荡对通过的激光束要么毫无影响，要么影响甚微，而这正是我们所能检测到的。”

研究团队开发了一个理论模型，以了解标量场暗物质如何与 LIGO 组件、分束器和测试质量相互作用。

在此之后，他们使用模拟软件来了解如果标量场暗物质存在，它将如何影响 LIGO 的输出。该模拟为他们提供了应当在 LIGO 数据中寻找的信号或异常类型的思路。

然后，研究团队使用 LIGO 的数据，并应用一种称为对数谱分析的方法来识别与标量场暗物质的预测效果相匹配的模式或信号。

该团队在 LIGO 数据中无法找到标量场暗物质的令人信服的证据。然而，他们能够为暗物质与 LIGO 组件之间相互作用的强度设定新的上限。

这种耦合强度就是阈值，超过此阈值便能检测到标量暗物质的存在。在这个特定的频率范围内，这种耦合强度的值比以前的工作提高了 10,000 倍。

“我们是首个考虑测试质量中额外微分效应的，这些效应在低频时极为显著。通过将其与一种新的能最大限度提高数据中统计能力的分析方法相结合，我们取得了极大的改进成果，”戈特尔博士总结道。

该研究提出了预测核心光学变化影响的方法，表明镜子厚度的小幅调整能够带来显著的改进。研究团队还估计，未来的探测器将能够超越甚至间接搜索方法，并能够排除整个类别的标量暗物质理论。