Toro 和 Schuster 因其对使用粒子加速器搜索暗物质粒子的实验设计的贡献而受到认可。

能源部 SLAC 国家加速器实验室的物理学家 Philip Schuster 和 Natalia Toro 将获得美国能源部的欧内斯特奥兰多劳伦斯奖，以表彰他们在开发暗物质新实验搜索方面所做的工作。

美国能源部引用了舒斯特和托罗关于使用粒子加速器寻找质量大约小于质子质量的轻暗物质粒子的想法的工作。对于一个提议的项目，即轻暗物质实验 (LDMX)，他们和他们的同事提议使用来自 SLAC 的 LCLS-II 加速器和休眠实验站的备用电子在实验室中产生暗物质。

今年，舒斯特和托罗与代表 14 个机构的其他八位劳伦斯奖获得者一起赢得了劳伦斯奖。该奖项旨在表彰在生物和环境科学、能源、计算机科学和高能物理等多个领域工作的处于职业生涯中期的美国科学家和工程师。获奖者将获得一枚奖章和 20,000 美元的酬金，并将于 9 月在华盛顿特区举行的虚拟仪式上获得荣誉。

“我很高兴认识到这些研究人员以及他们为社会做出的重大贡献。像这些人这样的科学家是 DOE 的中坚力量，没有他们，我们就无法完成我们的使命。我很高兴看到他们的未来以及他们可能带领我们走向何方，”美国能源部科学办公室主任 Asmeret Asefaw Berhe 说。

Toro 和 Schuster 表示，他们都未接电话通知他们获奖情况：当能源部长 Jennifer Granholm 打来电话时，Toro 正在家里工作，而 Schuster 正在从 SLAC 回家的路上。托罗说，她是在检查了自己的电子邮件并发现格兰霍尔姆留言的通知后才发现自己中奖的。

“我试图弄清楚我是为错过这个本来会很高兴接到的电话而难过，还是为我现在永远保留了这条美妙的语音信息而高兴，”托罗说。

舒斯特说，他“真的感到惊讶”，他希望这些奖项能够让人们更多地关注加速器和更广泛的小规模暗物质实验的新努力。“这是一项全球性的努力，已经进行了 15 年，”舒斯特说。“这个奖项在一定程度上说明了已经取得的进展，这很棒。”

SLAC 实验室主任 Chi-Chang Kao 说：“Natalia 和 Philip 开发了创新的新方法来寻找暗物质，利用 SLAC 的能力并扩大我们可以做的事情的视野。想想我们可能会发现什么是令人兴奋的。”

暗物质之谜

舒斯特说，寻找暗物质的研究人员通常没有太多工作要做——主要是有多少暗物质，他说——尽管有很多可能性。今天，最受欢迎的候选者都属于被称为弱相互作用大质量粒子或 WIMP 的类别。

一些 WIMP 理论是由被称为超对称的粒子物理学标准模型的扩展所激发的。根据该模型，WIMP 的质量应该大于——也许远大于——1 吉电子伏特 (GeV)，大致相当于质子的质量。而且，托罗说，该领域正在通过几项成熟的实验进行探索，例如寻找暗物质与液态氙碰撞迹象的直接探测工作，或天体物理学搜索在暗物质碰撞或衰变中产生的粒子。

但是，Toro 说，“如果你低于几个 GeV，那就有点未知数了”，在这个范围内探索可能性的实验相对较少。

然而，有充分的理由来探索这一点。一种简单的可能性是所谓的热遗迹。假设认为，在宇宙历史的早期，宇宙足够热，可以产生各种粒子，包括暗物质。然后，托罗解释说，随着宇宙冷却，一些暗物质会留在周围，留下我们今天观察到的暗物质。托罗说，究竟应该保留多少取决于暗物质粒子的重量以及它们与普通物质相互作用的强度，这定义了实验应该达到的阈值。

一个旧的想法又回来了

无论它是否是热遗迹，探测光暗物质都采用与之前提出的大多数方法不同的方法。事实上，它可能需要从核和基本粒子物理学的全盛时期回归到更古老的想法，当时物理学家使用像 SLAC 的原始直线加速器这样的加速器向固定目标发射电子束，以探索夸克和其他外来粒子的奥秘.

舒斯特说，这或多或少是 LDMX 提案的内容，尽管有一些重大升级。在一种可能的情况下，实验装置会将多余的电子从驱动 SLAC 的 LCLS-II X 射线激光器的加速器转移到旧的终端站 A，在那里它们会撞击包含重原子(如钨)的板。这些碰撞会改变电子的能量和方向并产生光子——也许还会产生暗物质。如果是这样，研究人员可以寻找“失去动量”的迹象，或者在碰撞后出现的电子和光子的能量和方向异常。

诀窍在于，像大多数粒子物理实验所做的那样，一次查看多个事件是不够的。相反，LDMX 必须在每个电子撞击目标之前和之后跟踪它，并仔细寻找可能出现的光子和其他粒子。

“你必须讲述每个单独电子的故事，”舒斯特说，只有这样，科学家才能判断是否存在暗物质缺失的动量迹象。

在美国能源部杰斐逊实验室目前正在进行的另外两项实验中——重光子搜索和 A' 实验 (APEX)——舒斯特、托罗及其同事已经在利用类似的固定目标实验装置来间接搜索暗物质。舒斯特解释说，这些实验是寻找暗物质与普通物质相互作用的粒子。

托罗说，她对基于加速器的暗物质实验的未来充满期待。“我希望这个奖项能引起整个领域的关注，因为它真的进入了一个激动人心的时刻。”

劳伦斯奖设立于 1959 年，旨在纪念欧内斯特·奥兰多·劳伦斯 (Ernest Orlando Lawrence)，他发明了回旋加速器——一种亚原子粒子的加速器——并因此获得了 1939 年的诺贝尔物理学奖。劳伦斯后来在建立美国国家实验室系统方面发挥了主导作用，能源部在加州伯克利和利弗莫尔的国家实验室以他的名字命名。