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浏览次数:148 时间:2020-01-23

暗物质是理论上提出的可能存在于宇宙中的一种不可见的物质,它可能是宇宙物质的主要组成部分,但又不属于构成可见天体的任何一种目前已知的物质。

搜寻这种粒子的方式之一被称为“直接探测实验法”,比如在美国南达科塔州的一个矿井中正在进行的“大型地下氙实验”(LUX),它使用大量的液氙对这类粒子进行探测。如果科学家们观察到氙原子核出现无法解释的晃动现象,那就很有可能是遭受到了WIMPs粒子的撞击。而氙原子核晃动的幅度则能够让科学家们对WIMPs粒子的质量给出估算。但是到目前为止,LUX实验还尚未得到任何结果。

轴子是粒子物理与天体粒子物理和凝聚态物理预言“存在”的一种亚原子粒子,是正负电子对撞后的一种“次级”粒子,是在玻色子能级的“衍射+辐射”能量丢失“逃逸”的极化新粒子。轴子粒子以一种能量轴线延“一维度时间空间”做线性跃迁角动量运动。

斯拉特尔表示,当前学界有很多的探讨,关于如果目前搜寻暗物质的各种方法最后归于失败,那时候该怎么做?他们已经提出了各种各样的初步设想,从利用液氦的超流体性质,到半导体技术,再到利用晶体中化学键的性质,不一而足。

物理学家在4月9日出版的《物理评论快报》上报告称,美国西雅图市华盛顿大学的轴子暗物质实验终于达到了探测轴子所需的灵敏度,前提是如果它们真的构成了暗物质。

不过尽管到目前为止似乎这两种途径都未能获得突破,但库马尔指出,相关实验上取得的进展已经为这种理论上可能存在的暗物质粒子可能的大小和质量设定了限定值。LUX的灵敏度达到200 MeV,这相当于质子质量的1/5左右。理论上它能够观测质量最高达1 TeV的粒子,这已经与某些类型的夸克相接近。由于LUX装置到目前位置仍然没有观测到任何信号,这就意味着在此质量(能量)范围内排除这种理论上存在的暗物质粒子存在的可能性。

《中国科学报》 (2018-04-11 第2版 国际)

****大型强子对撞机这样的设备最终能够探测到暗物质粒子吗?**

在物理学家的这项新研究成果中,ADMX的研究人员在2.66微电子伏特到2.82MeV(大约是电子质量的20百万兆分之一)的范围内排除了轴子存在的可能性。

库马尔表示,暗物质之所以显得如此神秘,其中一个很重要的原因就在于科学家们认为他们了解,至少在一定程度上了解宇宙大爆炸时期的核合成过程,也就是宇宙中物质产生的机制。此前成功预言了希格斯-玻色子存在的粒子物理学标准模型到目前未知一直都十分成功,因此除非所有人都犯了某种根本性错误,否则很难解释为何到目前为止全世界仍然没有能够探测到暗物质粒子。

物理学家认为,如果暗物质仅仅是由轴子组成的,那么这种粒子的质量必须在1MeV和100MeV之间。因此,ADMX的研究人员现在将把他们精心设计的无线电天线的频率尽可能地向上提升——调至大约40MeV。

关于暗物质的本质,此前已经有过多种不同的理论。最早的理论显得非常直白:科学家们认为暗物质隐匿在所谓的“晕内大质量高密度天体”(MACHOs)中间,比如中子星、黑洞、褐矮星和流浪行星等等。它们不会发光,或者发光性很弱,因此在望远镜观测看来,这些天体往往是不可见的。

如果暗物质由漂浮在周围的轴子组成,那么从理论上说,物理学家应该能够用一个足够强大的磁场以及一部非常灵敏的无线电发射器探测到它们。

在理论物理学界还有另外一种针对暗物质粒子的候选理论,也就是所谓的“轴子”(axions)。这些亚原子粒子能够在其发生湮灭反应,或是衰变为其他粒子时使用间接方法探测到,或者通过粒子加速器进行搜寻。但是同样的,到目前为止,科学家们在这种理论粒子的搜寻方面还是一无所获。

图片来源:Mark Stone

暗物质不可能是什么?

磁场会把轴子转换成光子,并且轴子的重量非常轻,因此这些光子的无线电频率将会非常低,而且应该在一个独特的频率上提供超微弱的无线电波。

举例而言,如果暗物质粒子与现有模型预测的结果非常不同,那么一种可能便是我们的加速器将很难探测到它们的存在。类似大型强子对撞机(LHC)这样的装置更擅长搜寻具有强核力相互作用的物质,因为它们会衰变成为其他类型的粒子。如果暗物质粒子也具有类似性质,那么像大型强子对撞机这样的设备就有希望能够找到它的踪迹,但如果不是这样,那么情况就会完全不同了。(晨风/新浪科技)

然而,研究人员并不知道轴子的重量到底有多少,并且他们可能需要数年时间才能够扫描完可能的质量范围。

暗物质的发现历程

本报讯 对一种被称为轴子的微小粒子的探寻如今正在如火如荼地进行。这种粒子可能构成了暗物质,而正是后者的引力阻止了星系的分崩离析。

暗物质应该也不会是那些因为不发光而难以被望远镜观测发现的低温气体云团。因为尽管自身并不发光,但气体云团会吸收来自远方背景恒星和星系发出的光线并在更长的波段上发出辐射,因此如果暗物质实际上是气体云团的话,我们应该会在红外波段上观测到强烈的信号。但实际上我们并未观测到这样的强烈信号,因此这一可能性也就被排除了。

大量天文学观测中发现的疑似违反牛顿万有引力的现象可以在假设暗物质存在的前提下得到很好的解释。现代天文学通过天体的运动、引力透镜效应、宇宙的大尺度结构的形成、微波背景辐射等观测结果表明暗物质可能大量存在于星系、星团及宇宙中,其质量远大于宇宙中全部可见天体的质量总和。结合宇宙中微波背景辐射各向异性观测和标准宇宙学模型可确定宇宙中暗物质占全部物质总质量的85%。

困难重重

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库马尔表示,WIMPs粒子的质量有可能会非常大,如果情况的确如此,这就意味着它们的数量不会特别多,因此它们中的单个粒子碰撞氙原子核的概率也就会很低。

然而,轴子可能具备双重功能,即同时还可供暗物质使用——宇宙论研究显示,暗物质占所有物质的85%。

研究人员随后计算了宇宙中应当含有多少物质的量,才能保证宇宙是平坦的,并且能够产生我们在宇宙中所观察到的那么多数量的“常规物质”(也称“重子物质”)。

轴子是一种假设的粒子,它于41年前被科学家提出,用来解决强核力理论中的一个问题。强核力将被称为夸克的粒子结合在一起,从而形成了质子和中子。

我们所在宇宙的大部分是不可见的,我们只能通过它们对其他物质施加的引力作用才能感知到它们的存在。并且到目前为止,科学家们对于这些看不见的物质究竟是什么,以及为何它们会构成我们所在宇宙如此大的一部分几乎仍然一无所知。

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