新设计的探测器，15年内就可以发现暗物质？

寻找轴子

我们对宇宙的了解，仍存在巨大空白。天文观测告诉我们，宇宙中大约85%的质量来自一种“看不见”的物质——暗物质。然而，迄今为止，科学家依旧不知道暗物质的本质究竟是什么？

主流观点认为，暗物质应当由某种尚未被发现的基本粒子构成，比如弱相互作用大质量粒子（WIMPs）。但近年来，一种质量非常非常轻的假想粒子——“轴子”（Axion），越来越受到关注。这种在数十年前就已经被提出来的粒子不仅可以解决暗物质问题，也可以解决其他的基本物理学难题，比如强CP问题。

尽管在理论上轴子有着巨大的潜力，但要寻找轴子却没有那么容易。如今，这一困境或许迎来了转机。在一项近日发表于《自然》的研究中，研究人员观察到了存在所谓的“轴子准粒子”的直接证据，并提出轴子准粒子不仅能模拟轴子的动态特征，还可能成为探测真实轴子的全新工具。

制造轴子准粒子

为了制造轴子准粒子，研究团队使用了一种名为MnBi₂Te₄的材料。这种材料因其独特的电子与磁性结构而备受关注。由于这种材料对空气极为敏感，所以研究人员必须将其制备成原子级别的二维晶体，以此来构建出一个理想的轴子准粒子培养平台。

在整个制作过程中，研究人员需要依赖精密的纳米制造工程，将材料精心地剥离至原子层级，进而实现对其量子性质的精准调控。在高度受控的环境中，研究人员需利用一系列复杂的技术，诱导轴子准粒子在MnBi₂Te₄材料中展示其动态性质。

创新的测量工具，使研究人员能够精确地捕捉到轴子准粒子的运动，将原本纯粹的理论转化为可观测的现实现象，为轴子准粒子的存在提供了直接的实验证据。

“宇宙收音机”

在更深层意义上，轴子准粒子的出现不仅验证了理论，更指向了一种潜在的探测机制。

物理学家认为，轴子像波一样具有频率，但目前尚不清楚轴子的频率可能出现在电磁波谱的哪个频段。

在最新的研究中，研究人员基于轴子准粒子设计出了一种全新的“暗物质探测器”，其工作原理类似于一台“宇宙收音机”——通过调谐自身频率，去匹配轴子可能发出的特定信号频率。一旦“调到”轴子的频率，探测装置就可能产生极其微弱的光信号，从而为轴子的存在提供实验依据。

研究团队认为，这种方法有望成为人类最敏锐的暗物质探测技术之一，并预测它将在未来15年内实现突破性探测。

引发关注

这项成果迅速引起了关注。研究人员指出，轴子准粒子的观测不仅验证了凝聚态物理学中长期以来的理论思想，也为未来的技术发展奠定了基础。

接下来，研究人员将继续优化轴子准粒子的实验性能，提升其探测灵敏度和适用范围。他们的终极目标是，发起一次真正意义上的暗物质轴子直接探测实验，推动粒子物理迈入一个全新的阶段。

#参考来源：

https://news.harvard.edu/gazette/story/2025/04/hunting-a-basic-building-block-of-universe/

https://www.kcl.ac.uk/news/cosmic-radio-could-find-dark-matter-in-15-years

https://www.nature.com/articles/s41586-025-08862-x

#图片来源：

封面图&首图：NASA