耶鲁大学研究人员研发出新型技术以探测难以捕捉的粒子

耶鲁大学物理系副教授David Moore的研究团队开创了一种技术，该技术通过使用耶鲁大学Wright Lab的一个小型台式实验装置“Microsphere Precision Levitation Experiment (SIMPLE) 中微球精密悬浮实验装置”探测暗物质、中微子以及宇宙的其他奥秘开辟了新途径。

耶鲁大学应用物理系研究生Jiaxiang Wang在《Physical Review Letters》上发表的新论文“Mechanical Detection of Nuclear Decays”（机械检测核衰变）”解释了这一成果。参与该论文撰写的其他团队成员包括Moore；物理学博士后研究员Tom Penny；物理学研究生Benjamin Siegel和Yu-Han Tseng；以及物理学本科生Juan Recoaro。Moore研究团队的所有成员也都是Wright Lab的成员。

据Wang介绍，本实验的目的是看是否能仅通过机械响应检测到嵌入在粒子中的元素发生的天然核衰变，而实验结果表明这确实可行。

机械检测核衰变

SIMPLE实验一般使用激光器将微小微米级粒子（玻璃球）悬浮在真空室内。核衰变过程中会释放出各种不带电荷的粒子，如中微子和暗物质候选粒子，但这些粒子在传统实验中很难探测和测量，因为它们通常不会在探测器内部发生相互作用。例如，Moore解释说，核衰变产生的中微子能够在铅中穿行约一年的光程才会发生相互作用。

为解决上述问题，Moore研究团队的目标是探测衰变作用在发生衰变物体上的微小力，而不是逃逸的衰变产物本身。为实现这一目标，研究团队用可衰变为其他不稳定同位素（发射α粒子，α粒子相对容易机械探测）的放射性铅同位素掺杂粒子，这样当同位素自然发生衰变时，衰变过程中的能量传递会“踢动”球体并使其反冲。通过测量球体这一微小反应性运动的动量，可以更好地了解所研究粒子的性质及其衰变产物。

Wang表示，“以前从未考虑过探测大于目标粒子的球体的机械反冲在核物理学和中微子物理学中的应用非常广泛。

Moore在接受《Chemistry World》采访时表示，“这种观察某种东西反冲的技术非常普遍，它只是牛顿定律。这使我们能够了解那些原本无法探测到的粒子。”

Wang补充说，“这是一项新颖的技术，可在小规模上应用，并解决了核科学问题需要大型探测器的问题。”

实验的挑战

Wang解释说，实验的最大挑战在于如何掺杂球体，团队为此花费了一些时间。

对于未来可能需要更高灵敏度的实验，还必须确保作用在粒子上的激光力不包括在动量冲击的测量中。

Wang说，“当粒子存在于地球上时，它始终会受到重力的影响。如果想在真空中悬浮粒子，我们必须始终施加一种力——这可以是光力、磁力或电力——但始终是一种会引入噪声的力，需要对其进行表征。SIMPLE使用激光器，激光器本身会产生噪声。这是在低压下可以观察到的现象。这种效应完全没有影响论文中描述的实验，但我们计划在未来的实验设计中采用大量精心设计的考虑因素，以尽可能减少数据中的这些噪声源。”

媒体报道结果

Wang的论文在科学界引起了广泛兴趣，并在《Physics Today》、《Chemistry World》和《Physics Magazine》等媒体上进行了报道。此外，《Physics Magazine》还将这篇论文改编成了漫画。

王说：“我很惊喜地发现这部漫画多么准确。例如，他们在黑板上使用的内容不仅仅是随机公式，而是论文中的实际图表；还有他们用来解释动量的图像。” 

未来可能性

王解释说，论文中描述的实验是一项原理证明，证明可以通过机械方式研究基本粒子来直接测量动量。通过使用更小的纳米球，该团队可以使用这项技术寻找无菌中微子。如果有一天灵敏度能够远远超过“标准量子极限”，那么它可能会让更大胆的研究成为可能，例如探测和测量标准模型中微子的质量。