Toro 和 Schuster 因其對使用粒子加速器搜索暗物質粒子的實驗設計的貢獻而受到認可。
能源部 SLAC 國家加速器實驗室的物理學家 Philip Schuster 和 Natalia Toro 將獲得美國能源部的歐內斯特奧蘭多勞倫斯獎，以表彰他們在開發暗物質新實驗搜索方面所做的工作。
美國能源部引用了舒斯特和托羅關于使用粒子加速器尋找質量大約小于質子質量的輕暗物質粒子的想法的工作。對于一個提議的項目，即輕暗物質實驗 (LDMX)，他們和他們的同事提議使用來自 SLAC 的 LCLS-II 加速器和休眠實驗站的備用電子在實驗室中產生暗物質。
今年，舒斯特和托羅與代表 14 個機構的其他八位勞倫斯獎獲得者一起贏得了勞倫斯獎。該獎項旨在表彰在生物和環境科學、能源、計算機科學和高能物理等多個領域工作的處于職業生涯中期的美國科學家和工程師。獲獎者將獲得一枚獎章和 20,000 美元的酬金，并將于 9 月在華盛頓特區舉行的虛擬儀式上獲得榮譽。
“我很高興認識到這些研究人員以及他們為社會做出的重大貢獻。像這些人這樣的科學家是 DOE 的中堅力量，沒有他們，我們就無法完成我們的使命。我很高興看到他們的未來以及他們可能帶領我們走向何方，”美國能源部科學辦公室主任 Asmeret Asefaw Berhe 說。
Toro 和 Schuster 表示，他們都未接電話通知他們獲獎情況：當能源部長 Jennifer Granholm 打來電話時，Toro 正在家里工作，而 Schuster 正在從 SLAC 回家的路上。托羅說，她是在檢查了自己的電子郵件并發現格蘭霍爾姆留言的通知后才發現自己中獎的。
“我試圖弄清楚我是為錯過這個本來會很高興接到的電話而難過，還是為我現在永遠保留了這條美妙的語音信息而高興，”托羅說。
舒斯特說，他“真的感到驚訝”，他希望這些獎項能夠讓人們更多地關注加速器和更廣泛的小規模暗物質實驗的新努力。“這是一項全球性的努力，已經進行了 15 年，”舒斯特說。“這個獎項在一定程度上說明了已經取得的進展，這很棒。”
SLAC 實驗室主任 Chi-Chang Kao 說：“Natalia 和 Philip 開發了創新的新方法來尋找暗物質，利用 SLAC 的能力并擴大我們可以做的事情的視野。想想我們可能會發現什么是令人興奮的。”
暗物質之謎
舒斯特說，尋找暗物質的研究人員通常沒有太多工作要做——主要是有多少暗物質，他說——盡管有很多可能性。今天，最受歡迎的候選者都屬于被稱為弱相互作用大質量粒子或 WIMP 的類別。
一些 WIMP 理論是由被稱為超對稱的粒子物理學標準模型的擴展所激發的。根據該模型，WIMP 的質量應該大于——也許遠大于——1 吉電子伏特 (GeV)，大致相當于質子的質量。而且，托羅說，該領域正在通過幾項成熟的實驗進行探索，例如尋找暗物質與液態氙碰撞跡象的直接探測工作，或天體物理學搜索在暗物質碰撞或衰變中產生的粒子。
但是，Toro 說，“如果你低于幾個 GeV，那就有點未知數了”，在這個范圍內探索可能性的實驗相對較少。
然而，有充分的理由來探索這一點。一種簡單的可能性是所謂的熱遺跡。假設認為，在宇宙歷史的早期，宇宙足夠熱，可以產生各種粒子，包括暗物質。然后，托羅解釋說，隨著宇宙冷卻，一些暗物質會留在周圍，留下我們今天觀察到的暗物質。托羅說，究竟應該保留多少取決于暗物質粒子的重量以及它們與普通物質相互作用的強度，這定義了實驗應該達到的閾值。
一個舊的想法又回來了
無論它是否是熱遺跡，探測光暗物質都采用與之前提出的大多數方法不同的方法。事實上，它可能需要從核和基本粒子物理學的全盛時期回歸到更古老的想法，當時物理學家使用像 SLAC 的原始直線加速器這樣的加速器向固定目標發射電子束，以探索夸克和其他外來粒子的奧秘.
舒斯特說，這或多或少是 LDMX 提案的內容，盡管有一些重大升級。在一種可能的情況下，實驗裝置會將多余的電子從驅動 SLAC 的 LCLS-II X 射線激光器的加速器轉移到舊的終端站 A，在那里它們會撞擊包含重原子(如鎢)的板。這些碰撞會改變電子的能量和方向并產生光子——也許還會產生暗物質。如果是這樣，研究人員可以尋找“失去動量”的跡象，或者在碰撞后出現的電子和光子的能量和方向異常。
訣竅在于，像大多數粒子物理實驗所做的那樣，一次查看多個事件是不夠的。相反，LDMX 必須在每個電子撞擊目標之前和之后跟蹤它，并仔細尋找可能出現的光子和其他粒子。
“你必須講述每個單獨電子的故事，”舒斯特說，只有這樣，科學家才能判斷是否存在暗物質缺失的動量跡象。
在美國能源部杰斐遜實驗室目前正在進行的另外兩項實驗中——重光子搜索和 A' 實驗 (APEX)——舒斯特、托羅及其同事已經在利用類似的固定目標實驗裝置來間接搜索暗物質。舒斯特解釋說，這些實驗是尋找暗物質與普通物質相互作用的粒子。
托羅說，她對基于加速器的暗物質實驗的未來充滿期待。“我希望這個獎項能引起整個領域的關注，因為它真的進入了一個激動人心的時刻。”
勞倫斯獎設立于 1959 年，旨在紀念歐內斯特·奧蘭多·勞倫斯 (Ernest Orlando Lawrence)，他發明了回旋加速器——一種亞原子粒子的加速器——并因此獲得了 1939 年的諾貝爾物理學獎。勞倫斯后來在建立美國國家實驗室系統方面發揮了主導作用，能源部在加州伯克利和利弗莫爾的國家實驗室以他的名字命名。
