Doctor Curious 12：暗物质诱饵
以下文章来源于中国科学院理论物理研究所 ，作者魏春成
作者：Evelyn Lamb
译者：魏春成，理论物理所15级博士，导师为周宇峰研究员，研究方向为暗物质间接探测与高能宇宙线的唯象研究
作者按
轴子暗物质实验（ADMX）通过制造虚假的信号来训练科学家处理真实信号的能力。
轴子暗物质实验（ADMX）寻找暗物质就像你在一个陌生的地方使用收音机寻找电台一样。但与简单的转动收音机上的调频旋钮不同，这一过程要花费相当长的时间。它会扫描与所寻粒子最有可能的质量范围相对应的频段，一旦看到任何疑似的信号——打个比方，就如同你在收音机里听到了几个听起来像是你正要寻找的那种音乐的音符——他们就会对这个频率进行更细致、透彻的分析。
ADMX的联合发言人、华盛顿大学的物理学家格雷·里布卡（Gray Rybka）说，通常他们在实验的每轮运行中都会得到一些疑似的信号。其中一些是由于随机信号波动造成的，一些是由于无线电信号泄漏造成的（“它曾一度是当地的一家宗教广播公司”，里布卡开玩笑说，“我们接收到了上帝发来的信息”）。而在此之外，一些信号实际上是来自于测试信号：ADMX的一小部分科学家负责向数据中注入人工合成的信号。
“你不知道它是轴子信号还是注入信号”
棘手的信号
暗物质之所以被称为暗物质，是因为它不与光或其他电磁辐射发生相互作用。它的提出是为了解释恒星和星系的分布及其运动的观测结果。天体物理学家尽管能够估算出暗物质约占宇宙总物质的85%，但却并不知道它究竟是什么。里布卡说：“在我们的粒子物理动物园里，我们所知道的每一个粒子都不符合要求”。
轴子是几种暗物质候选者之一。它最早是在20世纪70年代提出的，作为解决粒子物理中强CP问题的一种可能方法。后来，研究人员发现这种粒子还可以用来解释暗物质。
美国能源部洛斯·阿拉莫斯国家实验室的ADMX分析小组成员莱恩·达菲（Leanne Duffy）说：“这可谓一箭双雕，不仅解决了标准模型中一个存在已久的问题，还从中得到了一个十分优秀的暗物质候选者。”
假设暗物质轴子是真实存在的，那么地球和地球上的所有人每时每刻都在一个充满了轴子的银晕中穿行。我们什么都不用做就能够接触到轴子。
ADMX是美国能源部下属的暗物质探测实验中唯一一个寻找轴子的实验。至于如何来探测它们，ADMX的科学家们希望通过寻找由轴子转化而来的诸如光子、光量子等更容易被实验探测的粒子来实现这一目标。
在强磁场环境下，轴子会转化为光子。ADMX实验将微波共振腔置于强磁场中并从中分离出特定频率的波。利用微波共振腔，他们可以记录由轴子转换来的光子。（译者注，将共振腔频率调节到与轴子转变的光子相同时，能够显著提高轴子的转换效率。研究人员让探测器搜索特定频率的光——不同频率的光对应不同质量的轴子，以寻找不同质量的轴子。）
通过测试
保持整个实验处于在低温环境下（绝对零度以上不到100毫开尔文）能够有效抑制来自背景光子的贡献，这有助于将信号从噪音中分离出来。但即便如此，还是会有一些噪音偷偷溜进来。
为了确保科学家们能够完成消除这些背景信号的任务，ADMX的科学家们做了一件其他实验也会去做的事情，他们会定期向数据中注入虚假信号。
费米实验室的物理学家哈提·瓦达（Rakshya Khatiwada）说：“我们对看到的信号还是会感到兴奋，因为你不知道它是轴子信号还是注入信号。”
当他们注入合成信号后，团队中负责注入信号的成员通常会在新一轮的实验开始后公布这些信号。在2018年年末的一次测试中，测试进行得则要更加彻底些。当时只有美国太平洋西北国家实验室的研究员诺亚·奥布拉斯（Noah Oblath）和他的另一位同事知道。奥布拉斯说，“这有点奇怪”，“我喜欢对人诚实”。
研究小组继续进行下一步的分析工作。当信号持续存在时，他们召开了一次会议讨论接下来该怎么做。奥布拉斯说：“幸好这只是一个电话会议，不然我真的会担心掩饰不住自己的笑容。”
为了测试科学家们的反应，这次他们使用了同样的伎俩。
里布卡说他感到很困惑，他说，“这看起来没有任何奇怪的地方”。而这恰恰就是问题之所在。信号过于清晰，而且形状也正如他们所预期的那样。“当我看到时，我说，‘这可能过于美好了，不像是真的。’”
达菲也有着相同的困惑，但与里布卡不同的是，她有用来测试的工具。进行高分辨率的分析会立即暴露出注射的信号是假的。但是使用高分辨率通道并不是分析协议的一部分。不过，她承认道，“如果不是我这么忙，我可能会去看看，只是不告诉任何人”。
在电话会议中，疑惑重重的科学家们不能让他们的怀疑来指引他们的行动。如果这是一个测试，那就是对他们工作流程的测试。他们开始讨论下一步关掉探测器的磁场，看看磁场的变化是否会影响到信号，如果它真的是来自轴子的信号，那么他们能够预料它会如何变化。
“在那一刻，格雷停了下来，给了我揭开这是否是注射信号的机会”，奥布拉斯说。
关闭探测器的磁场会导致后续的实验被延误，所以是时候让奥布拉斯坦白了。测试如期的通过了。
“这是一个非常棒的方法，它能够测试我们的轴子检测程序是否如期工作”，达菲说，“如果能在某个时刻真的检测到一个轴子，那就太好了。”
译者注
轴子是1977年人们为解决粒子物理中强CP问题引入的一个假象粒子，是暗物质的重要候选者之一。由于轴子的质量非常轻（质量介于百万分之一到千分之一电子伏特之间，横跨多个数量级），且与普通物质的相互作用非常微弱，因而探测起来十分困难。
在强磁场中，轴子和光子会发生相互转换。轴子暗物质实验（ADMX）就是基于这一原理进行探测的。在ADMX实验中，寻找理论预测的有较大质量范围的轴子被解读成在一定频率范围内中搜寻光子信号（这也是作者将ADMX寻找轴子的过程类比为使用收音机搜寻电台的原因之一，另一个重要原因是ADMX实验使用的微波谐振腔的工作原理与收音机调谐器——RLC谐振电路的工作原理十分类似）。由于轴子的信号非常微弱，要探测到如此微弱的信号对实验设备的要求非常高。ADMX为了探测到这样的信号，采用了由液氦冷却的超导量子干涉仪（SQUID）放大器。该设备使得ADMX能够探测到小于百分之一尧瓦（1尧瓦=瓦）的功率峰值，这已经接近由量子力学涨落所设定的理论极限。为了确保如此高精密的实验稳定运行，科学家们会定期向设备中注入虚假的信号。此外，这样做的原因也是为了确保实验上一旦真的探测到轴子信号时，科学家们能够做出及时准确的响应，并给出可靠的分析。从某种意义上来说，这不但是对实验设备的检验，也是对科学家们工作流程的检验。
最后，我想说的是，当你第一次听说，实验上竟然会向数据中注入虚假信号时，你一定会觉得不可思议。但这，恰恰是为了确保我们不会去错过那个可能的重大突破的出现。
往期回顾
为满足更多科研工作者的需求，蔻享平台开通了各科研领域的微信交流群。进群请添加微信18019902656（备注您的科研方向）小编拉您入群哟！
欢迎大家提供各类学术会议或学术报告信息，以便广大科研人员参与交流学习。
联系人：李盼 18005575053（微信同号）
欢迎大家提供各类学术会议或学术报告信息，以便广大科研人员参与交流学习。