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暗物质候选人“变色龙粒子”,CERN 轴子太阳望远镜搜索未果

2024-11-25 208

宇宙最大奥秘之一是为何它正在加速扩张,物理学家将之归因于暗能量,并且提出各种暗物质粒子的候选人,其中一种较不为人知的称为变色龙粒子(Chameleon particle)。现在,欧洲核子研究组织(CERN)团队报告了搜寻变色龙粒子的第一份研究成果。

21 世纪最离奇的发现之一就是宇宙正在以越来越快的速度膨胀,我们没有更好的术语可以形容,就暂且将这种推动宇宙膨胀的未知力量称为暗能量。

目前,物理学家提出可能跟暗物质有关的粒子包括:轴子(Axion)、超轴子(Axino)、大质量弱相互作用粒子(WIMP)、惰性微中子(Sterile neutrino)、瞬子(instanton)、半自旋质量维度一费米子(mass dimension one fermions of spin one half)、暗光子(Dark photon)、黑洞子(Holeum)、变色龙粒子等,其中前 4 种粒子声势最高,吸引最多科学家投入研究。

而变色龙粒子由物理学家 Justin Khoury、Amanda Weltman 于 2004 年首度提出,就如其名,这种粒子是种能根据周围环境改变自身状态的假想奇异粒子,不过它们改变的不是颜色,而是质量。

在高密度区域(比如地球),变色龙粒子的质量很大,而我们知道在物理世界中,粒子和力是同一枚硬币的两面,所以此时变色龙粒子的基本力作用极微弱(小于 1 毫米);相反地,在低密度区域(比如星际空间)中,变色龙粒子质量会变非常小,但基本力作用极其强大,这种性质使变色龙粒子成为暗物质上等候选人──当然也跟变色龙一样难搜索。

那我们真的完全没办法寻找变色龙粒子吗?还是有机会。一种想法是变色龙粒子能与光子耦合,并且可被空心容器困住:当它们穿透壁面时,质量会急遽增加并反弹,因此科学家只要将光子引入空心腔室中,就能尝试捕捉变色龙粒子的细微变化。

同时,变色龙粒子也可能由太阳产生,因此 CERN 一个研究小组决定利用 CERN 轴子太阳望远镜(CERN Axion Solar Telescope,CAST)寻找变色龙粒子,望远镜上安装的 KWISP 薄膜探测器可以捕捉任何撞击膜的变色龙粒子,第一批结果来自 2017 年 7 月为期 10 天(共 90 分钟)的测试,遗憾的是:团队未能发现任何变色龙粒子。

但是科学家不灰心,目前找不到并不代表粒子不存在(当然也可能真的不存在),但科学家可以透过这次实验进一步限制出变色龙粒子的质量上限,让未来的搜索范围更精确。

新研究结果可从《ArXiv》网站阅读。

  • Solar Chameleons: CERN’s search for dark energy particles from the Sun
  • KWISP detector searches for dark energy from the Sun
  • Is Dark Energy a Chameleon?

(首图来源:NASA)

延伸阅读:

  • 天文学家提出新暗物质理论:某种假想粒子与重力波互动的产物
  • 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
  • 宇宙如何存在?科学家开始追测神秘暗物质微中子
2019-07-09 15:26:00

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