“过冷水”可用作新型暗物质探测器

摘要:

尽管科学家们预测暗物质约占宇宙中物质总量的 85%,但截至目前,它们仍未被直接检测到。不气馁的科学家们,一直在努力升级探测系统的敏感度,期待其能够与漂浮的暗物质粒子发生相互作用。有趣的是,纽约州立大学奥尔巴尼分校的研究人员们,刚刚开发出了一种使用“过冷水”(supercooled water)的新型暗物质探测器。

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视频截图(来自:JOSHUA E. MARTIN / EurekAlert

要形成冰晶,水分子需要有粘附的固体表面。通常情况下,污垢或其它杂志有助于启动该过程。形成的冰晶越多,晶体的表面积就越大。

然而与常理不同的是,这套装置能够形成低于 0 ℃(32℉)、而不冻结成冰的“过冷水”。因为在严格控制的条件下,纯水能够保持在远低于 0 ℃ 的冰点(该过程即被称作‘过冷’)。

但是从“过冷”状态到突然发生冻结,并不需要太多的条件。如果冰晶以某种方式受到干扰 —— 摇晃、倒出、飞机掠过的噪声、过冷云、某些例子与水分子发生碰撞 —— 都可以引发冻结。

研究人员希望,令人难以捉摸的暗物质粒子,也能够与过冷水发生微妙的反应。于是在测试期间,他们将过冷水冷却到了 -20℃(-4℉),然后暴露于不同的颗粒下。

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动图演示(via New Atlas

结果发现,某些粒子确实可以触发亚原子水平的冻结。研究一作 Matthew Szydagis 表示:

我们发现了一种新的过冷水性质,令我们感到惊讶的是,某些粒子(中子)可以引发冻结,而其它粒子并不会(伽马射线)。像中子这样的粒子,甚至可以在水中被散射多次。

研究人员将这种用一大桶“过冷水”作为暗物质探测器的方案称作“雪球室”(Snowball Chamber)。

长期以来,人们一直认为暗物质一直漂浮在我们身边,但它不会与普通物质发生相互作用。但若它碰巧与过冷水发生作用,就可能引发意料之外的冻结。

在排除了所有其它干扰之后,这套方案的验证过程,就与使用液体氙(或超流体氦)的电流检测器方案类似了。不过与后者相比,过冷水的造价更便宜,因此能够大撒网地对暗物质展开探测。

此外,研究人员发现过冷水亦可用于运输中的核武器、增加对云形成的理解、甚至揭示一些冬眠哺乳动物的习性,比如让自身血液低于冰点的北极地松鼠。

据悉,研究人员在上周末于丹佛举办的 2019 美国物理学会会议上介绍了他们的新发现,目前论文已提交出版。

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