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科学家提 3 个新方向,扩大暗物质搜索范围

2024-11-24 213

理论上,我们有各种构成暗物质的候选粒子,只是至今我们任何一种都没发现。因此,有些科学家认为暗物质可能更“轻”、质量更低、能量更小,因此他们开始设计与以往不同的新实验,准备在不同的质量与能量范围探测暗物质粒子。

做为暗物质最有力的候选人之一,大质量弱相互作用粒子(Weakly interacting massive particles,WIMP)绝对不会缺席,这是一种只藉弱核力和引力产生相互作用的假想粒子,它们不参与电磁力作用,所以无法被直接探测;它们也不参与强核力作用,所以基本上也不跟普通物质发生相互作用;和普通粒子相比,WIMP 的质量稍微大了些,所以它们运动的速度也相对缓慢,因而能够成团聚集,也就是暗物质团块。

但是科学家找遍宇宙中预期 WIMP 会出现的地方,却始终不见 WIMP 踪迹,科学家只好开始将目光范围延伸到质量较小的假想粒子,比如亚原子粒子“轴子(axion)”。

轴子的质量极小,只有 10−6到10−2eV(电子的五千亿分之一~五千万分之一),想要捕捉这么小的粒子,目前针对大质量粒子设计的暗物质探测器势必要重新设计,就好比你拿渔网捕鱼,网格一定要比鱼小才抓得到鱼,此外科学家也要研拟新方法来寻找暗物质。

加州大学柏克莱分校理论物理学家 Kathryn Zurek,是提出低质量暗物质理论与探测这种粒子方法的先驱,过去 10 年,暗物质逐渐从边缘研究成为主流研究领域,我们的探测器也越来越先进,最近 Kathryn Zurek 再提出搜寻低质量暗物质的 3 大新目标方向,相关小型实验成本从 200 万美元~1,500 万美元不等。

第一个方向为利用能产生高能粒子束的加速器,去创造并检测质量比质子还小的粒子,这些实验可能有助于我们了解暗物质的起源,并探讨其与普通物质的相互作用。

第二个方向为透过现有的超灵敏探测器,检测质量比质子小 1 兆倍的银河系暗物质粒子。

第三个方向则是利用超灵敏探测器检测银河系的暗物质波,尤其是所谓的 QCD 轴子(Quantum Chromodynamics,QCD)。不少技术与理论已经认同这种假想粒子的存在并成为暗物质候选人之一,它能帮助我们一撇早期宇宙样貌与极高能量世界的法则,也可以帮助解释将大多数物质绑在一起的强核力。

目前,研究人员正在开发利用液态氦(liquid helium)与砷化镓(gallium arsenide)与低质量暗物质粒子相互作用的原型实验,当然,除了液态氦和砷化镓外,还有很多材料可以尝试用来检测暗物质粒子,不同的结构可以结合不同的暗物质,测试材料的选择不必受限。

  • What if Dark Matter is Lighter? Report Calls for Small Experiments to Broaden the Hunt

(首图来源:pixabay)

延伸阅读:

  • 暗物质是否为假想粒子“轴子”?星系中心的超大质量黑洞可能由它构成
2019-06-23 09:13:00

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