科学家新猜想:轴子会是我们寻找暗物质的最佳选择吗

新浪科技 2022/3/12 13:41:18 责编:长河

北京时间 3 月 11 日消息,据国外媒体报道,科学家一直在探索暗物质的真实“身份”和组成。现在,研究人员发现了新的证据,为一种被称为轴子(axion)的假想粒子提供了支持,认为这很可能是暗物质的主要成分之一

子弹星系团(Bullet Cluster)的合成图像。子弹星系团由一对迎面碰撞的星系团组成,得到了广泛的研究,并被认为是暗物质存在的有力证据。其中一个星系团穿过另一个,就像子弹穿过苹果一样,可能显示出暗物质(蓝色)与炽热气体(粉色)分离的明显迹象。

▲ 子弹星系团(Bullet Cluster)的合成图像。子弹星系团由一对迎面碰撞的星系团组成,得到了广泛的研究,并被认为是暗物质存在的有力证据。其中一个星系团穿过另一个,就像子弹穿过苹果一样,可能显示出暗物质(蓝色)与炽热气体(粉色)分离的明显迹象。

1933 年,天文学家首次推断宇宙中存在某种看不见的物质,后来,这些“丢失的质量”被称为暗物质。自此之后,暗物质一直是全世界天文学家和物理学家追逐的神秘对象。尽管有理论认为暗物质占宇宙中所有物质的 85%,但这些看不见的物质究竟是由什么组成的,仍然是一个谜。

什么是轴子?

一些研究人员认为,暗物质实际上可能是一种名为“轴子”的奇怪粒子。这是一种假想的基本粒子,具有极微小的质量和能量。轴子最初于 1977 年提出,用来解决粒子物理学中所谓的“强 CP 问题”—— 为什么 CP 在量子色动力学中不被破坏?

这是一个长期悬而未决的疑难问题。CP 是粒子物理学中两个对称运算的乘积:C 对称即电荷对称,量子操作为电荷共轭运算,可以将一个带电荷粒子转化为其反粒子;P 是宇称,宇称运算会造成一个物理系统的镜像。在强相互作用和电磁作用中,CP 转化运算对整个物理系统不产生任何影响,即 CP 对称;但在一定的弱相互作用中,这个对称会被微小地打破(CP 破坏)。对 CP 破坏的研究至今仍然是理论物理学和实验物理学中非常活跃的领域。

在 CP 对称中,如果一个粒子与它的反粒子交换,或者当它被倒置或成为镜像时,涉及的物理定律应当是相同的。在量子色动力学中,强相互作用可能会导致 CP 破坏,但科学家从未观察到这种破坏。

欧洲核子研究中心(负责运行大型强子对撞机的机构)的粒子物理学家约翰・埃利斯说:“我们已经知道,这种 CP 对称区分了粒子和反粒子。我们也知道,弱相互作用中会出现 CP 破坏。这是一个谜,为什么在强相互作用中没有违反这种对称?”自轴子被提出以来,埃利斯就一直从事这方面的研究。

1977 年,研究者提出了标准模型的一个扩展,在这个扩展中,强相互作用不会破坏 CP 对称,“这个理论预测了轴子的存在”。2020 年,一个物理学团队发现了轴子存在的第一个直接证据,使得这种假想粒子更具合理性,也引起了科学界对轴子的兴趣,同时进一步支持了轴子可能是暗物质最佳候选粒子的观点。

“暗物质占宇宙中物质的绝大部分,而我们不知道它究竟是什么。在所有科学中最突出的问题之一,便是‘什么是暗物质?’”新研究的第一作者、美国加州大学伯克利分校物理学助理教授本杰明・萨夫迪在一份声明中说,“我们猜测这是一种未知的新粒子,而轴子可能就是这种粒子。它可能在大爆炸中大量产生,并漂浮在宇宙中,可以解释天体物理学已经取得的观察结果。”

放弃 WIMP?

暗物质“毛发”。一些研究人员认为,暗物质以这种“网状”的模式分布在整个宇宙中。

▲ 暗物质“毛发”。一些研究人员认为,暗物质以这种“网状”的模式分布在整个宇宙中。

在 2 月 23 日发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上的两篇综述中,研究人员描述了轴子如何成为暗物质的主要候选粒子,以及物理学家将如何更深入地研究这种粒子,或许还将解释暗物质之谜。

到目前为止,在众多可能组成暗物质的候选成分中,一直处于领先地位的当属“大质量弱相互作用粒子”(weakly interacting massive particles,简称 WIMP)。WIMP 是一个很笼统的术语,描述的是一种仍然停留在理论阶段的假想粒子,只通过弱核力和引力与普通物质发生非常微弱的相互作用。据预测,WIMP 的质量是质子的 1 到 1000 倍。

然而,尽管 WIMP 是最有希望的暗物质候选成分,在过去的几年里,WIMP 并没有出现在大型强子对撞机中,也没有出现在对暗物质的直接搜索中。因此,随着 WIMP 逐渐失去作为暗物质候选粒子的光环。

我们能否捕获轴子?

随着对 WIMP 的研究陷入僵局,研究人员开始探索可以采取哪些步骤来确认轴子的存在,并进一步确定它是否可能是暗物质。研究人员在综述中提出,他们有可能最终“捕获”轴子,并通过预测其质量来确认其存在。

在这两篇综述中,研究人员提出了物理学家可以采用的几种不同的方法,既可以预测轴子的质量,也可以将其作为暗物质的候选者进行研究。这些方法包括使用光晕仪(haloscope),这种仪器可以“观察来自银晕的微波光子信号”。(星系晕是星系周围一个巨大的球形空间区域,其范围超出了可见物质的范围。)

研究人员预计,在这样的实验中,轴子会在微波空腔中转换成电磁波,尽管这种情况会非常罕见。理论上,这种电磁波是能够被探测到的。

研究人员还提出了物理学家们目前正在使用,并可能用于寻找轴子的其他方法,包括使用地面望远镜,例如使用欧洲核子研究中心的轴子太阳望远镜(CAST)来探测太阳核心产生的轴子,甚至发现中子星磁层中的轴子 —— 在那里它们可能会转换为光子,并留下明显的光谱特征。

寻找质量

在这两篇综述中,研究人员探索了可以让科学家探测轴子的前沿技术,而目前较流行的轴子探测技术之一,便是尝试在微波空腔中探测电磁波。

不过,在 2 月 25 日发表在《自然-通讯》(Nature Communications)杂志上的另一项新研究中,研究人员使用美国国家能源研究科学计算中心(NERSC)的超级计算机 —— 目前世界上最大的超级计算机之一 —— 模拟了轴子的产生过程。

在该团队的模拟中,轴子几乎就在大爆炸后立即产生;他们还将宇宙中暗物质的总质量和产生的轴子总数考虑在内,从而估计出轴子的可能质量。模拟结果显示,轴子的质量是理论物理学家预期的两倍多,达到 40 到 180μeV(大致相当于一个电子质量的 100 亿分之一)。

研究小组还发现,轴子可以产生比预期更高频率的电磁波,而该频率超出了实验中通常用于探测轴子电磁波的范围,在这些轴子实验中,模拟程序不知道应该调到哪个频率,因此必须扫描许多不同的可能性。

对于模拟的结果,研究人员形容早期宇宙中的轴子可能表现得就像“从野马上摔下来的骑手”。

你可以想象这些绳子由轴子组成,在宇宙扩张的过程中,绳子向周围甩出,形成圆环,互相连接,并经历许多剧烈的动力过程。位于边缘的轴子正试图紧紧抓住绳子,但当一些过于剧烈的过程发生时,它们就会从这些绳子上甩出去。而那些脱离绳子的轴子最终会在很久以后变成暗物质。

当然,研究团队并没有解决了暗物质问题,也没有给出关于轴子的确切描述。但随着越来越多的研究者继续推进这类实验,在不久的将来,或许我们就能更好地理解这些假想粒子究竟是什么,并最终解开暗物质之谜。

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关键词:暗物质轴子宇宙

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