探测宇宙:小小的镜片或许能帮助我们解开暗物质之谜

2021/6/3 10:40:52 来源:新浪科技 作者:任天 责编:姜戈

北京时间 6 月 3 日消息,据国外媒体报道,许多年来,科学家付出了巨大的努力和大量的资金,希望了解可能构成大部分宇宙的无形物质到底是什么,但迄今为止所有的科学实验都未能探测到任何暗物质候选粒子。如今,美国特拉华大学的研究人员提出了一种新的暗物质实验设计,试图通过一面超薄的镜子来探测所谓的“暗光子”

这项研究描述了一种硬币大小的加速度计,在理论上能够测量到此前实验中无法看到的微小粒子。研究人员希望找到的假想粒子即暗光子,与普通的光子大不相同。一种理论认为,光与暗物质(以及暗能量)的交流是通过暗光子,类似于我们熟悉的电磁力光子;该理论推测,暗物质会发射出暗光子,有时一个暗光子也可能与一个普通光子相互作用,改变后者的能量和轨道。

和光子一样,暗光子也会表现为“电磁场”。只不过与光子不同的是,暗光子具有质量。这一特性使它们成为暗物质的候选粒子

研究人员在两篇论文中探讨了不同的暗物质特征类型,他们认为,这些特征可以帮助我们探测到真正的暗物质。这两篇论文都考虑了这样一种可能性,即我们的银河系正沐浴在一个粒子的海洋中,这些尚未被探测到的粒子比电子轻数万亿倍,构成了所有的暗物质。然而,这些粒子究竟是什么,以及它们如何与常规物质相互作用,这其中还有许多关键的问题。

探索暗物质

几十年来,物理学家一直在寻找宇宙中看不见摸不着的“暗物质”。最初,当科学家观察宇宙时,发现了一些难以解释的引力效应,并以此推测宇宙中存在着比常规物质多得多的质量。他们相信,宇宙中一定存在某种我们目前技术看不见的东西,才能解释所有这些额外的引力。一个关于暗物质的理论认为,轴子(axion)是这些无形物质引起可观测引力效应的原因(最近的一项研究认为,这些轴子可能会在中子星的核心突然出现或消失)。

最基本也最流行的暗物质理论认为,暗物质是由所谓的“弱相互作用大质量粒子”(weakly interacting massive particle,简称 WIMP)构成的。暗光子理论也是由该理论发展而来。还有一种观点认为,暗物质可以用原始宇宙中的小黑洞来解释。所有这些关于暗物质如何呈现,以及如何分布的观点,通常都意味着不同的暗物质粒子探测方式。

作为理论上的假想粒子,暗光子也可能是一种新的标准模型与暗物质粒子相互作用的媒介子。对暗光子的理论和实验研究,将有助于发现超越粒子物理标准模型的新物理学,扩展人类对宇宙起源和演化的认识。暗光子具有独特的相互作用,可以解释一些 WIMP 单粒子方案无法解释的问题,例如为何星系中心的密度会低于预期的结果。

有关暗物质密度的问题还存在相当大的不确定性。每一份地球大小的质量,所对应的暗物质质量就大约相当于一只松鼠;问题不在于有多少暗物质存在,而在于暗物质是否真的以松鼠大小的质量,均匀地分布在地球大小的质量中,形成超精细的粒子雾。

以镜片作为探测器

该研究团队提出,可以用一个硬币大小,厚度为 100 纳米,由氮化硅薄膜和铍制成的镜片来探测暗光子。这种材料非常敏感,当光在表面之间反射时,探测器就能测量出镜片和薄膜之间的距离是否发生了变化;如果发生了变化,可能就意味着有什么东西把它们分开了,这或许能为我们带来新物理学的线索。研究人员认为,这种设备就像音叉一样,可以设定为“监听”特定频率的暗物质。如果以此建造多台探测器,每一台都设置成不同的频率,就可以提高探测到暗物质的几率;如果在一定的时间内没有结果,他们还可以不断换成其他频率。

这种设备的尺度可以扩展,且价格合理,与传统的暗物质探测器设计大不相同,后者通常需要将成吨的氙埋在地下。事实上,研究团队的设计将是“台式”的,不过并不像我们一般理解的台式概念。

探测器的悬挂越好(越接近自由落体),其结果就越能排除地面活动的噪声干扰。他们的论文并不等同于具体的实验设计,而是以此呼吁其他研究团队能帮助开发精密的测量设备,以完成这些困难的任务。

这种探测器将在大约 5 年内投入试验运行。这些小型的传感器能发现任何暗物质吗?没有人知道。但即使毫无结果的话,也能帮助物理学家了解暗物质不是什么,而这将有助于完善未来的研究。

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关键词:暗物质粒子宇宙起源

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