用冷晶体寻找暗物质

暗物质是宇宙中最难以捉摸的成分之一;自天文学家首次提出它的存在理论以来，它已经逃脱了我们几十年的探测。在他的研究中，南达科塔大学的刘静博士提出了一种非常规的使用发光晶体来探测地球上粒子加速器产生的暗物质的方法。他的团队正在制作一个探测器的原型，该探测器由极冷的晶体组成，可以很容易地捕捉到暗物质粒子留在晶体中的微小能量;这可能会让研究人员更接近于更好地理解难以捉摸的物质形式的真实本质。

许多天文学家都认为暗物质是握住我们宇宙的引力胶水。首先提出在20世纪70年代来解释星系像天文学家所观察到的星系旋转的速度，现在想到了从引力透镜到宇宙微波背景辐射的天文现象的一部分。然而，虽然宇宙学家估计暗物质在宇宙中大约85％的暗物质，但没有单一的实验能够直接检测到它。

“暗物质粒子穿过我们的身体和地球时不会留下任何痕迹，”刘博士解释道。“然而，有强有力的实验证据表明暗物质的存在，它可能影响了整个宇宙的进化。”

尽管暗物质还没有被可靠地观测到，但世界各地的研究人员仍然希望，如果使用正确的技术，它可能很快就会被探测到，从而允许对其特性进行深入深入的探索。“直接观察暗物质粒子与正常物质的相互作用可能有助于揭示它们的真实性质，”刘博士继续说。在他的研究中，刘博士和他的同事探索了改进暗物质探测技术的新方法;最终目的是让它们对难以捉摸的粒子更加敏感。

探测暗物质
我们目前的理解是，银河系被淹没在更大的暗物质晕里;由于我们的太阳系作为银河系中心周围的整个轨道，地球可以感觉到一个恒定的暗物质风吹过它（以类似的方式与移动的汽车感觉风吹过风吹，即使在无风日上）。希望是，通过我们吹过我们的暗物质颗粒的微小百分比可能偶尔在暗物质探测器的目标材料中击中常规核，将微小的能量转移到该细胞核中。沉积的能量通常可以在目标材料中以三种形式释放：光，热和电荷。通过将正确的传感器连接到目标，可以检测这些信号。许多盐样晶体如碘化钠，当通过辐射击中时可以发光。这个过程有一个花哨的名称：闪烁。由于刘博士解释：“预期暗物质相互作用将在探测器中留下非常少量的能量，这可以作为闪烁晶体中的光量释放。”

目前，有两种光传感器的灵敏度足以检测单个光量子或光子:光电倍增管(PMTs)和硅光电倍增管(SiPMs)。它们首先通过“光电效应”将入射光子转换为电子，然后将电子加速到足够高的能量，从而在自身内踢出更多的电子。就像雪球会造成雪崩一样，最初的电子可以在这些传感器中产生大量的电子，记录为电信号;每一个都能追踪到最初入射的光子。这种有用的特性使pts和SiPMs成为最近许多暗物质探测实验的关键组成部分。

产生暗物质
目前的暗物质理论对可能的暗物质颗粒的可能性没有严格的限制。一种受欢迎的暗物质候选者，WiMPS（弱相互作用的大规模颗粒）被认为是大量的大量核心。由于它们过于巨大，无法人工有效地生产，因此我们只能被动地等待自然暗物质颗粒落入我们的陷阱，即暗物质探测器。

有强大的实验证据（for）暗物质，这可能影响了整个宇宙的演变。

经过多年的努力，物理学家正在接近寻找WIMPS的终结。有些人开始调查有利于较轻的暗物质颗粒的可能性，其具有与电子的质量类似。我们可能能够在地球上的粒子促进剂中大量生产它们，鉴于它们的小质量。该过程如下：氢原子束加速到非常高的能量，然后倾倒到由重金属制成的目标中;可以在这种碰撞中产生许多较轻的颗粒，包括可能低质量暗物质颗粒;通过将靠近光束目标的检测器放置，可以检测人造的暗物质。

制作更敏感的探测器
可以沉积在暗物质检测器中的能量量甚至通过这些低质量的暗物质颗粒变小。必须进一步降低检测器的能量阈值以使这种检测有效。如Liu Dr指出，“降低闪烁探测器的能量阈值的直接途径是增加其光屈服，”即，让晶体发射更多的光量给出相同量的能量沉积。有趣的是，这可以通过长期观察但很少使用少数盐的晶体的性质来实现：当它们低于液氮温度时，它们会发出更多的光，这与太阳系中的最寒冷的地方一样冷。

2014年，刘博士和他的同事提出了一种对由这种晶体制成的探测器的设计，该液体通过液氮冷却至77个kelvin - 晶体含有最高的光照率。在建立在Kamioka卫星站点Kamioka卫星站点的Kamioka卫星站点之后，日本东京大学突出的研究所，刘议员的团队成功地检测到20多个光子，为沉积在晶体中的能量的每一个kev（一个能量单位）。刘议员声称他的知识，这是世界上有史以来的最高的优势，具有这种类型的水晶;比Kims实验高的四倍，一种利用相同类型的晶体的暗物质实验。

降低闪烁探测器的能量阈值的直接途径是增加其光率。

进一步改进
初始设置仅包含93克晶体和具有光敏圆形表面的PMT，其直径为2英寸。在南达科他大学的最新设置中，由两个3英寸的PMTS从其两个平坦的端面检查1.56公斤圆柱形晶体。实现了类似的光率。这证明了该技术也适用于具有实用价值的较大晶体。

目前，刘博士的团队正在建立另一个原型探测器，用sipm取代pts，它可以在更低的温度下工作，光子探测效率更高。此外，sipm是由薄硅片制成的，因此比体积庞大的pmt占用更小的空间。这使得操作探测器系统成为可能
在更紧凑的冰箱里。

未来的目标是
随着这些改进的实施，研究人员现在希望在美国田纳西州橡树岭国家实验室的散裂中子源(SNS)附近部署一个10公斤的探测器，以探测在散裂中子源(SNS)中可能产生的低质量暗物质粒子。凭借他的团队和技术，刘博士加入了COHERENT合作项目。

该协作正在协调SNS寻找暗物质和其他新现象的SNS的各种实验努力，以及超出粒子物理标准模型的新现象。他们将扩展他们的研究领域，包括中微子 - 微小的无明显的颗粒，其仅非常罕见地与其他物质相互作用，但被认为是我们宇宙的重要组成部分。

通过相干协作进行的初始计算已经揭示了使用SNS的10kg探测器的非常有前景的物理学，用于暗物质和中性检测。通过他与全球研究人员的合作，刘议员希望促进我们不断努力探讨难以捉摸的自然和广阔宇宙的未知。