MIT天体物理学正在寻找暗物质的踪迹

MIT天体物理学正在寻找暗物质的踪迹

麻省理工学院(MIT)的粒子物理学家Kerstin Perez正在寻找暗物质的踪迹。这种看不见的物质体现了宇宙中84%的物质,并被认为是一种强大的宇宙“胶水”,使整个星系不至于旋转分离。然而,这些粒子本身在普通物质上几乎没有留下任何痕迹,从而挫败了迄今为止的所有探测努力。

MIT天体物理学正在寻找暗物质的踪迹

Perez希望,将于2022年底发射到南极平流层的高空气球实验,将在它留下的粒子中捕捉到暗物质的间接迹象。这样的发现将大大照亮暗物质难以捉摸的本质。

Perez共同领导的这项实验是通用反粒子光谱仪(即GAPS),这是美国宇航局资助的一项任务,旨在探测暗物质湮灭的产物。当两个暗物质粒子碰撞时,人们认为这种相互作用的能量可以转化为其他粒子,包括反氘子–这些粒子然后作为宇宙射线穿过银河系,可以穿透地球的平流层。如果反氘子存在,它们应该来自天空的各个角落,Perez和她的同事们希望GAPS将处于合适的高度和灵敏度来探测它们。

Perez说:“如果我们能够说服自己这真的是我们所看到的,这可能有助于为我们指明暗物质是什么的方向。”她今年被授予麻省理工学院物理系的终身职位。

除了GAPS之外,Perez的工作主要是开发方法,在超新星和其他由地面和太空望远镜捕捉到的天体物理现象中寻找暗物质和其他奇异粒子。

她说:“我们测量了这么多关于宇宙的信息,但我们也知道我们完全缺少宇宙所由的大块内容。除了我们所知道的那些,还需要有更多的构建块。而我已经选择了不同的实验方法去寻找它们。”

MIT天体物理学正在寻找暗物质的踪迹

Perez在西费城出生和长大,她主要喜欢艺术和手工艺,绘画和设计,以及建筑。“我有两把胶水枪,我记得我喜欢建造娃娃屋,不是因为我非常关心娃娃,而是因为它是一个你可以购买和建造的东西,”她回忆道。

她追求艺术的计划在高中时出现了转机,当时她参加了她的第一堂物理课。对她的同学来说具有挑战性的材料对Perez来说更加自然,她在第二年报名参加了物理学和微积分的学习,由同一位具有感染力的老师教授。

“有一天,他做了一个推导,占了三分之二的黑板,他站在后面说:‘这不是很美吗?我不能擦掉它。然后他在它周围画了一个框架,并在那小小的三分之一的黑板上为其余的班级工作’,”佩雷斯回忆说。“我感受到的就是这种热情。”

受此鼓舞,她在高中毕业后前往哥伦比亚大学,在那里攻读物理学专业。为了获得研究经验,她在一个纳米技术实验室做志愿者,为碳纳米管成像。

“那是我的转折点,”Perez回忆说。“我所有关于建造、创造和想要设计东西的背景在这个物理学背景下汇集在一起。从那时起,我就对实验物理学研究产生了兴趣。”

她还碰巧上了麻省理工学院的Janet Conrad教授的现代物理学课程,她当时是哥伦比亚大学的教授。这门课向学生们介绍了粒子物理学和正在进行的探测暗物质和其他异类粒子的实验。引起最大反响的探测器是位于日内瓦的欧洲核子研究中心的大型强子对撞机。大型强子对撞机将是世界上最大的粒子加速器,预计很快就会上线。

从哥伦比亚大学毕业后,Perez进入加州理工学院,在那里她有机会去欧洲核子研究中心作为其研究生工作的一部分。这段经历非常宝贵,因为她帮助校准了大型强子对撞机的一个像素探测器,该探测器被设计用来测量普通的、众所周知的粒子。

Perez表示:“那段经历告诉我,当你第一次打开你的仪器时,你必须确保你可以测量你知道的东西,真的很好,然后你才能声称你在看任何新东西。”

在结束了她在欧洲核子研究中心的工作后,她开始有了一个新的想法。当大型强子对撞机被设计成人为地将粒子粉碎以寻找暗物质时,一些较小的项目正在太空中寻找同样的粒子,即它们的自然环境。

Perez说:“我们拥有的所有关于暗物质的证据都来自于天体物理学观测,所以在那里寻找线索是有意义的。我希望有机会,从头开始,从根本上设计和建立一个可以告诉我们关于暗物质的实验。”

带着这个想法,她回到了哥伦比亚大学,在那里她加入了正在努力使气球实验GAPS启动的核心团队。作为博士后,她开发了一种具有成本效益的方法来制造该实验的1000多个硅探测器,此后继续领导该实验的硅探测器项目。然后在2015年,她接受了靠近她家乡的哈弗福德学院的一个教职。

“我在那里呆了一年半,绝对喜欢那里,”Perez说。

在哈弗福德学院时,她不仅投身于物理学研究,而且还从事教学。学院为教师们提供了一个帮助改进他们的讲座的项目,每位教授每周与一名本科生会面,后者接受培训,观察他们的教学风格并给予反馈。Perez与一名有色人种的女学生结成对子,有一天她向Perez分享了她在一门入门课程中所经历的不太愉快的经历,这最终使她不愿意申报计算机科学专业。

听了这个学生的话,Perez认识到了一种亲情和一种使命。从那时起,除了她的物理学工作,她开始探索一个新的研究方向:归属感。

她与社会心理学家接触,了解多样性和包容性的问题,以及造成物理学、计算机科学和其他STEM学科代表性不足的系统性因素。她还与教育研究人员合作,开发课堂实践,以鼓励学生的归属感,以留住代表性不足的学生为动机。

2016年,她接受了加入麻省理工学院物理学系的邀请,并带来了她在哈弗福德学院开始的包容性教学的工作。在麻省理工学院,她在粒子物理学的研究和教学之间取得了平衡,并建立了一个更具包容性的课堂。

Perez说:“导师们很容易认为,‘我必须完全修改我的教学大纲,改变我的课堂,但我有那么多的研究,而教学是我工作的一小部分,坦率地说,很多时候都没有回报’。但如果你看一下研究,它不需要很多。作为站在教室前面的教师,我们所做的小事才会有大的影响。”

 

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