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暗光子:暗物质新线索

2018年08月01日 天文物理 ⁄ 共 1894字 ⁄ 字号 暂无评论

几十年苦苦搜寻,物理学家终于找到了有关暗物质的新线索。

撰文 克拉拉 · 莫斯科维茨(Clara Moskowitz)  翻译 李想

暗光子:暗物质新线索

 

    宇宙中藏着某种神秘的东西。它看不见摸不着,我们仅能通过它施加给宇宙万物的引力,得知它的存在。几十年来,有关暗物质的假设一个一个地被否定,随着候选范围的层层缩减,物理学家已开始隐隐不安。要是最后一个假设也被否决,该如何是好?难道我们注定永远无法对这些占宇宙质量1/4的物质一探究竟吗?

    今年早春,一切忽然柳暗花明起来。研究人员找到了一条近年来最有价值的线索:一些新的作用力似乎能让暗物质“开口说话”。这一发现或许能帮助我们弄清,暗物质是由何种粒子构成。

    这条新线索是在观察宇宙角落里一个名为Abell 3827的星团时发现的。近段时间,天文学家正利用“引力透镜效应”(gravitational lensing,指光经过大质量物体时会发生弯折的现象)锁定了暗物质在该星系团内4个相互碰撞的星系间的位置。哈勃空间望远镜和位于智利的甚大望远镜(Very Large Telescope)发现,至少有一个星系,其周围的暗物质,明显落在了普通物质的后面,这意味着一个从未被观测到的现象:暗物质中的粒子正发生相互作用,并因此拖慢了自己的脚步。

    由英国杜伦大学理查德·马西(Richard Massey)领导的研究小组推测,因为这一相互作用并未影响到普通物质,所以这种作用肯定是由引力之外的某种只影响暗物质的力主导的,比如一种由交换“暗光子”(dark photons)而形成的力。这类似于普通质子依靠电磁力进行相互作用的情形:当两个质子相互靠近时,每个质子都将释放一个光子——电磁力的载体——并吸收对方的光子。动量由此交换,质子彼此分离。

暗光子:暗物质新线索

 

    这一消息吸引了正在苦苦搜寻的物理学家们,来自纽约大学的物理学家尼尔·韦纳(Neal Weiner,未参与上述研究)说,“如果真是这样,那可真要天翻地覆了”。暗光子方案是从一种最基本也最流行的暗物质理论发展而来的,该理论认为暗物质由一种通常称为“弱相互作用重粒子”(weakly interacting massive particle, WIMP)的粒子构成。不过暗光子及其独有的相互作用,可以解释一些WIMP单粒子方案无法回答的问题,例如为何星系中心的密度会低于原先计算的结果。

    暗光子方案将帮助物理学家从暗物质“候选名单”上再划掉几个不靠谱的选项。“虽然我们从各种各样的途径获得了暗物质存在的证据,”韦纳说道,“但除了引力相互作用外,我们对其仍一无所知。如果暗物质确实存在这种自相互作用,那么有一大堆关于暗物质的理论模型就可以被淘汰了。”

    这一新发现发表在了今年6月的英国《皇家天文学会月报》(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)上(4月份已在线发表于该期刊)。值得一提的是,新发现可能与许多著名的暗物质假说相左,因为这些假说中的暗物质粒子是从超对称理论中导出的。超对称理论是一个试图解答许多物理学谜题的诱人理论,例如,它假设基本粒子种数比目前已知的更多,来解释希格斯玻色子的质量为何如此之小。但即便推出暗物质是由这些粒子中的某一种(比如WIMP)构成,这一理论的大多数版本也不包含自相互作用。

    参与该项研究的科学家则认为,现在就排除其他更“平庸”的解释还为时尚早。例如,当暗物质处在碰撞星系之外,同时又恰在地球的视线上,则可能增强引力透镜效应。“对这项新研究不利的方面是,这仅是一个孤立事件,”团队成员、来自瑞士联邦理工学院的戴维·哈维(David Harvey)说,“宇宙中有太多的未知,我只能说一切皆有可能。”况且,在之前对其他星团的搜寻中,也没找到过暗物质自相互作用的迹象,这其中就包括今年3月哈维领导的一项涉及72例星团碰撞而非个别星系碰撞的研究。不过,星团碰撞的速度比星系的更快,留给暗物质进行自相互作用,并显出滞后的迹象的时间也更少,所以两项研究的结果并不矛盾。

    即便最近的观测没能引入新的作用力和暗光子方案,Abell 3827星团仍然让物理学家在“暗物质不是什么”这个问题上前进了一步。与此同时,地下探测暗物质粒子的搜寻依旧无果,欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)目前也仍未找到暗物质粒子。科学家期盼形势能很快出现转机:4月份重启的大型强子对撞机将达到它的最高能量上限,探测器的灵敏度也会调至最高。“暗物质是如此令人费解,我们想要的数据不知何时才能获得,”哈维感叹道,“我感觉如果现在还不出现转机,就永远都不会出现了。”

 


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