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经过多年的失败寻找,暗物质搜寻者们开始转向

2019-01-02 10:40:01

美国《连线》杂志近期刊文称:经过多年的失败寻找,暗物质搜寻者们开始转向。之前被公认为最大可能是暗物质组成成份的弱相互作用的大质量粒子(WIMPs)受到了物理学家的质疑,物理学家为此纷纷提出新的理论和实验,对暗物质的组成继续探索。

以下为文章翻译:

物理学家非常坦率的承认:他们不知道暗物质由什么组成。

耶鲁大学的物理学家Reina Maruyama说:“我们都在挠头”。

华盛顿大学的物理学家Gray Rybka说:“我们的直觉认为,暗物质80%的可能是这种样子,20%的可能是另一种样子”。他这样想不是基于科学,他说:“这是基于民间智慧”。

通过望远镜,他们观察到大量的关于暗物质的证据。他们观察到,星系的旋转速度远远高它们可见质量所允许的。根据已经建立的引力方程,这些星系应该解体,就像蛋糕面糊从旋转的搅拌机上脱落一样。大家普遍认为,一定有某种看不见的物质——暗物质,将这些星系连接在一起。观测的结果显示暗物质由扩散物质组成,Maruyama说:“有点像棉球(扩散物质)”。他与其他专家共同牵头了一个名为COSINE-100的暗物质研究项目。

然而在地球上,暗物质的线索并不多。考虑到星系的旋转速度,暗物质应该占到宇宙物质的85%,包括在我们小家园地球上也是如此。但是只有一个实验,在意大利的探测器DAMA曾记录了地球上存在暗物质的令人信服的证据。与该实验无关的Maruyama说“其他的实验也有暗示,但是DAMA是唯一一个有强烈信号的”。二十年来,DAMA一直测量不同的信号,在六月份信号到达峰值,在十二月份信号下降。这种信号表明,暗物质以不同的速度撞击地球,这一速度与地球在轨道在的位置有关。这与理论预测相符。

但是这项研究没有产生其他有希望的信号。今年,一些探测器报告了一些无效的发现。XENON1T是一个与DAMA一样,位于同一个意大利实验室的探测器,今年五月它宣布没有发现任何东西。熊猫-X是一个在中国进行的实验,实验组今年七月发表文章称,他们没有发现任何东西。Maruyama的团队发布,他们的探测器(韩国版的DAMA探测器,由大约200磅碘化银制成)未能成功复制意大利前辈的结果。

这些实验都是被设计用来寻找一种特定的暗物质候选体,这是一种理论化的粒子类型,被称为弱相互作用的大质量粒子(WIMPs),其重量应该是电子的100万倍左右。WIMPs多年来一直主导着暗物质研究,但加州大学伯克利分校的天体物理学家Miguel Zumalacarreguiyi早已厌倦了它们。大约十年前,当Zumalacarreguiyi还是一名博士时,WIMP的研究人员就已经承诺即将有一项发现。Zumalacarreguiyi说:“他们只是空手而还”。

Zumalacarreguiyi不是唯一一个对WIMP感到厌倦的人。Rybka说,从某些方面来说,他很久以前就开始厌倦WIMP。Rybka与其他人共同领导一项实验,该试验正在研究另一种暗物质候选者:一种叫做轴子的精致粒子,大约比电子轻10亿倍,比WIMP轻得多。今年四月,轴子暗物质实验合作组织宣布,他们终于调整好了探测器,使其足够敏感,可以探测轴子。

Rybka称,探测器的运作有点像调幅收音机。机器内部的强磁铁会将进入的轴子转换成无线电波,然后探测器会探测到这些电波。“因为我们不知道轴子的确切质量,所以我们不知道该调到哪个频率”Rybka说,“所以我们一边听一边慢慢转动旋钮,大部分时间我们听到的都是噪声。但希望有一天,我们能调到合适的频率,听到那种纯净的声音”。

Rybka把赌注压在了轴子上,因为它们还能解开物理学中另一个长期存在的谜团:夸克如何结合在一起形成原子核的。他说“这似乎太好了,不可能只是巧合,这个来自核物理的理论碰巧制造了适量的暗物质”。

当Rybka团队在地球数据中寻找轴子的踪迹时,天体物理学家们在空间中寻找线索。在十月份发表的一篇论文中,Zumalacarreguiyi和他的一位同事排除了一个旧观点,即:暗物质主要由黑洞组成。他们是通过二十多年对超新星观测得出这个结论。当超新星经过黑洞的后面,黑洞的引力会使超新星的光发生折射,使其看起来更亮。光线越亮,黑洞质量越大。因此,通过将数百颗超新星的亮度制成表格,他们计算出,那些至少是太阳百分之一大小的黑洞可以占到暗物质的40%,仅此而已。

“我们正处在我们的最佳理论似乎即将被打破的时期”,牛津大学的天体物理学家Jamie Farnes说,“我们显然需要一些新想法。关于宇宙如何运行,我们正在错失一些关键的东西”。

Farnes试图填补这一空白。在去年12月发表的一篇论文中,他提出,暗物质可能是一种向你移动的奇怪流体,如果你试图推开它。他对包含这种流体的宇宙建立了简单的模拟,发现它还可能解释宇宙为什么在膨胀,这是物理学中另一个长期存在的谜。他谨慎地指出,他的想法是推测性的,目前还不清楚他的这些想法是否与之前的望远镜的观测和暗物质的实验一致。

尽管人们热衷于新方法,但WIMPs仍也可能是暗物质。Maruyama在韩国的实验排除了“大多数人讨论的规范的、普通的WIMP”,她说,但不为人知的与WIMP相近的物质仍在讨论之中。

重要的是要记住,当物理学家紧紧抓住他们喜欢的理论时,不管这些理论多么令人耳目一新,他们都需要能证实的数据。Farnes说“宇宙不在乎什么是美丽,什么是优雅”。宇宙也不关心什么是时尚。对于我们来说,宇宙可能真的很不酷。

本文系观察者网独家稿件,未经授权,不得转载。

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来源:观察者网 | 责任编辑:程小康
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