当描述异常困难的搜索时，我们经常使用“大海捞针”这样的表达方式。然而，假设你不知道针是什么样子，或者它有多大——也许它可能比你想象的小一千倍！在这种情况下，您的任务可能会接近暗物质研究领域所尝试的任务的难度。
尽管需要暗物质（和暗能量）的存在来解释宇宙的当前状态，但人们对它几乎一无所知，甚至连它最基本的属性也是如此。因此，科学家们采取了许多研究途径来试图理解暗物质。其中一个项目被称为“用窄带隙半导体搜索光暗物质粒子”，简称“SPLENDOR”，是 SLAC 国家加速器实验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室 (LANL)、科罗拉多州立大学的科学家之间的合作项目东湾大学、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校和圣克拉拉大学1.
在他们的研究中，研究人员正在使用 Moku:Pro，一种基于 FPGA 的测试和测量设备，提供超过 14 种软件定义仪器。利用 数据记录仪 乐器和木库 Python API，该团队创造了极其灵敏的 DM 探测器，使他们能够在意想不到的地方寻找暗物质 (DM)——其能量尺度远低于大多数典型探测器的范围。
挑战
在物理学中，基本粒子的大小通常不是用质量单位来描述，而是用能量单位来描述——具体来说，是电子伏特（eV）。这两个量通过爱因斯坦著名的质能等价方程联系起来。例如，电子的剩余质量约为 511 keV。典型的暗物质实验寻找理论粒子，例如 WIMP 和轴子，其能量范围从 MeV 到 GeV，有时甚至更高。另一方面，SPLENDOR 正在将注意力转向 1 MeV 以下的能量尺度，因此有了“轻”暗物质这一术语。然而，要在这个范围内进行实验，需要灵活的新型暗物质探测器。
鉴于暗物质粒子的能量较低，因此需要极其灵敏的探测器。在这方面，SPLENDOR 利用 LANL 丰富的材料科学历史来创建带隙在 1 至 100 meV 范围内的新型半导体器件，其灵敏度足以检测光 DM 事件。当暗物质粒子与半导体中的材料碰撞时，会产生小电流响应。 然而，这些事件在随机时间发生，并且电流响应很容易在室温电子设备的噪声中丢失。
解决方案
为了准确记录这些令人难以置信的低能量事件，团队使用商用稀释制冷机将探测器包（见图 1）冷却至 0.01 K。这种设置最大限度地减少了电噪声，提供了一个干净的环境来实时监控事件。
图 1. 光暗物质检测方案。左：安装在紧凑的低温外壳中的半导体暗物质探测器的照片。照片由洛斯阿拉莫斯国家实验室提供。右图：从 10 mK 到室温的测量链示意图。转载自预印本2.
在低温恒温器中，SPLENDOR 团队还设计了一种巧妙的双 HEMT 方案，可以放大不同温度阶段的事件电流信号（图 1）。这种方法允许从稀释冰箱安全地检索信号并在室温下记录。通过在没有检测器的情况下测量系统的输入噪声，该团队报告了大约 7 的预期分辨率e，或单个电子电荷的七倍。
尽管如此，暗物质粒子并不总是在研究人员方便的时候出现。搜索轻型 DM 事件需要他们不断监控系统，团队通过数据记录器实现了这一点。如图 2 所示，低温恒温器的输出线连接到 Moku:Pro 的输入通道。
图 2：SLAC 的 SPLENDOR 实验装置。机架式 Moku:Pro 已准备好检测来自探测器的事件，探测器位于所示的 Oxford Proteox 稀释冰箱中。照片由 SLAC 国家加速器实验室提供。
当研究人员准备扫描暗物质事件时，数据记录器被配置为连续监控系统 1 分钟或更长时间的窗口。 Moku:Pro 输入端的电压被记录为时间的函数，急剧的、指数上升的峰值代表一个“事件”。
然而，其中一些事件幅度较低，无法用肉眼轻易检测到——需要对数据进行后处理才能出现。幸运的是，可以使用内置的 Moku:Pro 文件转换器轻松地将数据文件从本机 .li 格式转换为 .csv、.npy 或 .hdf5，从而可以将它们导入到 Python 中以进行进一步分析。要了解有关如何处理和处理 SPLENDOR 收集的数据的更多信息，请阅读我们的 SPLENDAQ 上的博客文章，由 LANL 研究员 Samuel Watkins 博士开发的开源数据分析工具。
Watkins 博士在加入该项目时开始使用 Moku:Pro，他表示数据记录器比使用自定义数据采集 (DAQ) 系统更有利。
“当像 Moku 这样的通用系统已经存在时，我们在创建某种类型的自制 DAQ 方面节省了大量的开发时间，”他说。 “我们几乎总是首先使用 Moku 应用程序的 GUI，因此当我们更改各种设置时，我们可以轻松查看实时数据。我们自己创建 GUI 将是一项密集的编程任务。”
结果
目前仍不清楚哪种探测器组合对于捕获光暗物质事件最有效。但有了新的测量工具，SPLENDOR 团队可以快速迭代许多新的探测器设计和半导体组合，目标是进一步提高灵敏度，并允许探索暗物质的秘密——无论暗物质的大小如何。他们在大海捞针中寻找“针”。 Watkins 博士认为 Moku:Pro 及其软件的标准化在这一努力中发挥着重要作用。
“我绝对认为 Moku 有助于实现我们领域在数据采集方面提供通用开源软件的目标，”他说。 “我们有合作者使用 Moku:Go 以及用于活动构建的 SPLENDAQ 软件包，如果没有 Moku API 的开源性质，我不可能一次去他们的实验室就用系统设置它们。”
欲了解更多信息，请阅读预印本 arXiv2.
乐于解答您的问题
在我们的知识库中获取常见问题解答
如果您对设备特性或仪器功能有疑问，请查看我们广泛的 知识库 找到您正在寻找的答案。 您还可以快速查看热门文章并按产品或主题优化搜索。
加入我们的用户论坛以保持联系
想要请求新功能吗？ 有支持提示可以分享吗？ 从用例示例到新功能公告等等， 用户论坛 是您的一站式产品更新商店，以及与 Liquid Instruments 和我们的全球用户社区的联系。
脚注
[1] 报告编号 LA-UR-24-20436
[2] J·安察斯基 等。用于低温探测器的两级低温 HEMT 放大器。 arXiv:2311.02229 [physical.ins-det]2023。
