E起計量打基礎No.6：暗物質世界的能量形式─尋找暗物質過程中推向量子的極限

E起計量打基礎：暗物質世界的能量形式─尋找暗物質過程中推向量子的極限No.6_20170504
By 周隆亨 (Henry Chow) 摘譯

暗物質世界的能量形式─尋找暗物質過程中推向量子的極限1

讓我們驚訝的事實：構成宇宙百分之八十的物質我們仍無法知道。我們不能確認這些物質都是由原子所組成，也真的無法全然知道是哪些種類的原子。但我們能夠確認的是宇宙的五分四顯然絕對非由原子這些東西所組成，或至少到目前為止，它們也不是來自於我們已知的任何基本粒子。

我們為甚麼認為這神秘的物質存在呢? 簡單的回答來自愛因斯坦重力理論的廣義相對論(general relativity)，為我們指出了宇宙的極限。當我們透過天文望眼鏡觀察移動穿梭在宇宙中的星座和銀河，會發現到有些我們看不見的東西在促使它們以一種特殊的方式彎曲移動。愛因斯坦的重力理論指出有多少的這個隱形質量，物理學家叫它為“暗物質(dark matter)”，必定是它彎曲了我們能夠看見到的星座和銀河這些東西的軌道。

面對這種情況，我們做出假設並希望這假設能說明我們在這奇怪物質上的觀察研究。一種好的假設應該既與每一項已知事實一致，同時也要有其他可偵測到的結果。如果我們尋找這些其他的結果，卻沒法發現它們，那就該棄置或修改我們的假設。

稍微讓我感到訝異的是發現我自己竟在從事一項特別的實驗，該實驗是設計來尋找一種假設性之暗物質粒子(軸子，axion)的結果。也讓我感到意外，就像各行各業，物理學家也把他們自己區分成不同派系的次領域中人等。可以預料到不同派系之間的激烈競爭，以及對於彼此的刻版印象，還有在各次領域所形成的不同文化，如此的情境粗略地就雷同公司企業體中的工程技術部門和業務行銷部門的互動。

我的專業次領域在量子物理。在工作中，我以量子力學的理論依據建構可以控制並量測電量(包括電流與電壓)的裝置。量子力學的理論在描述微小東西像是個別原子與其組成物的行為，或是更大型人造物體像是電路處於非常冷的情況下的行為。這似乎離宇宙學、核子物理及高能物理，亦即暗物質實驗的領域範疇很遠。但是軸子可偵測到的一項結果在於它能夠產生一個相當微弱的電流震盪訊號，其未知的震盪頻率大概介於約500 MHz到500 GHz之間。

所以我的工作就是要沉浸在不斷地量測這些極小的微波頻率電量訊號之中，這是一項實驗的挑戰，也是我工作熱情的所在。

事實上，跟尋找軸子並不相關，我與我的美國國家標準暨技術研究院(NIST)研究團隊早已製作出的裝置卻可以量測到(4到8) GHz的微波頻率訊號。我們對於了解量子力學對實驗量測解析上所施加的極限可以到達細微的能力特別感興趣，因為量子力學限制了同時量測系統其中兩個互補性質，諸如粒子位置和行進方向兩者的精確程度，另外也嘗試了解可以規避該極限到怎樣的程度。很巧地，這裝置正好能夠提供適當的偵測性質給在耶魯大學(Yale)開發出的耶魯軸子冷暗物質偵測儀(HAYSTAC2)之用。2012年，在參與NIST和 Yale、柏克萊加州大學及勞倫斯利福摩爾國家實驗室科學家尋找軸子的共同協作計畫中，我們分配到的任務是開發出可以對在量子極限的電流執行細微精密量測的模組裝置。

我們先期研究的結果剛剛發表：軸子尚未被發現，但我們發現軸子不可能存在的地方。另言之，我們搜尋了一段可能受軸子誘發出的電流頻率範圍，並相當確定沒有在這些頻率中發現軸子的訊號。這實驗結果重要的是讓之後的科學家可以確定在其他的頻段設計他們的實驗去找尋軸子。

即便如此，尋找整個頻率範圍所需時間仍是非常長久，有如大海撈針。為加速此搜尋，我們務必設法找到跳過量子力學對電量量測所設下的限制之方法。所幸，我們了解到量子力學只會限制到某些型式之同一時間發生的資訊，在這裡發生的，即波峰的高度(振幅)和波峰產生的時間(相位)，因此透過調整更改我們量測裝置的設計，我們可以僅僅偵測到電流震盪的振幅或相位，而勿須在同一時間量測到兩者。量子力學並未針對以上兩個量中單一的量的量測之靈敏度設下限制。我在軸子協同研究的未來工作上將針對搜尋裝置開發出更多這些超越量子極限的量測程序。

當我們能夠例行性偵測到優於量子極限的電流訊號，我們就可以開始觀察許多過去從未預期到的偵測結果，並開啟潛在進入一個令人興奮且期待有未來展望之新的物理領域大門。我確信從未發現自己竟會在這核子物理協同研究計劃團隊中工作，但目前我持續的工作卻讓我保持心胸開放以預期意料之外帶來的暗物質研究的最新發現。

Ref: 1) Pushing the Quantum Limit in the Search for Dark Matter – NIST Taking Measure Blog | BY KONRAD LEHNERT ON MARCH 16, 2017 (http://nist-takingmeasure.blogs.govdelivery.com/pushing-quantum-limit-search-dark-matter/ )

2) Searching for axion dark matter with a new Yale-built device, Yale News | BY Jim Shelton On February 13, 2017 (http://news.yale.edu/2017/02/13/searching-axion-dark-matter-new-yale-built-device )