本科生团队建造暗物质探测器张晴丹

现代宇宙学常常与大型天文台、复杂仪器、全球合作和巨额资金联系在一起。一项由本科生主导的实验表明，寻找暗物质并不总是需要大型基础设施。

在最近发表于《宇宙学与天体粒子物理学》的一项研究中，德国汉堡大学的一个本科生团队设计并建造了一个空腔探测器，用于寻找轴子——一种主要的暗物质候选粒子。尽管资源有限，他们还是对轴子特性建立了新的实验约束，证明了紧凑型实验仍然能够为物理学中最大的未解问题之一做出贡献。

汉堡大学本科生搭建并使用的实验装置。图片来源：Nabil Salama

“我们算是嵌入了MADMAX暗物质实验的研究组中。”该论文第一作者、目前正在汉堡大学攻读物理学硕士学位的Nabil Salama解释道。“MADMAX在更大、更复杂的规模上进行着类似的实验，我们受益于他们的专业知识和支持。”

“研究暗物质或轴子的好处在于，我们预期它遍布我们星系的各个角落。”该论文共同第一作者、目前正在汉堡大学攻读物理学硕士学位的Agit Akgümüs说。“基本上，无论你在哪里进行实验，你手上都有一些暗物质可以用来做实验。”

该团队首先从一个由高导电材料制成的共振空腔开始，还包括电子设备、电缆、支架和测量装置。“我们建造的探测器本质上是用于暗物质的空腔探测器的最简单版本。”Salama说。

“我们将非常复杂的实验简化为基本组件。”Salama说。“结果是一个灵敏度较低、仅限于一个小搜索窗口的设备，但仍然能够产生新的科学数据。”

“寻找轴子涉及探索一个广泛的可能参数范围。”Akgümüs解释道。“我们的实验只覆盖了一个很小的区域，灵敏度有限，但它仍然有助于缩小可能性范围。要真正找到这种粒子，我们需要要么规模大得多的实验，要么许多不同的实验，各自探测一个特定的区域。”

“这项实验的意义在于，事情可以在较小的规模上完成。”Salama说。Akgümüs补充道：“我们的结果自然比大型实验的结果更有限。性能与资源和复杂性成正比。然而，我们已经证明，将这些装置缩小到非常小的规模是可能的，甚至可以缩小到几乎由学生独立开发的项目，同时仍然能产生真实的科学数据。”

Salama指出，在同行评审期间，一位审稿人提出了一种有趣的可能性。一旦轴子被发现并且其特性（尤其是其质量）为人所知，类似的实验可能会变得容易得多，甚至适合教学实验室。“我们被告知，像我们这样的装置有朝一日可能会成为标准的学生实验。在某种程度上，我们可能已经预见到了那个未来，表明在小规模上建造和运行这样的实验已经成为可能。”