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來自太陽的暗「半磁體」每天都會流過我們

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【新三才首發】一種看不見的物質彌漫在宇宙中,改變了恆星和星系的路徑。

這種所謂的暗物質會產生引力,但絕不會與光相互作用。沒有人知道它是由什麼構成的,在此之前是不可能發現它的。但是一個新的理論終於可以提供一種測試暗物質的方法。

加州大學戴維斯分校的理論物理學家於6月6日在西班牙格拉納達舉行的普朗克2019年會議上發表演講時表示,暗物質可能由奇怪的半磁體組成。通過開啟一個非常強大(但尚不存在)的電子顯微鏡,我們終究可能可以檢測到它們。

但並非所有的物理學家都認同這個說法。

「我認為這說法很好,但不是很有希望」,法蘭克福高等研究院研究員薩賓霍森菲爾德(Sabine Hossenfelder)說,她並沒有參與這項研究。她補充道,「你可以發明無數的可能粒子來構成暗物質。這只是其中一個。」

「對於這些粒子中的每一個,你都可以進行大量的計算,發表論文並設計出實驗,然後你可以嘗試獲得資金」,她說道。「如果你真的很幸運,有人可能會做你構思出的實驗 —— 然後甚麼也找不到。」

找尋暗物質

雖然理論預測著暗物質的存在,但我們不知道它看起來是什麼樣的或者它是由什麼東西構成的。有一段時間,有一個「美麗的故事」說暗物質是由一個被稱為弱交互作用的大質量粒子(WIMP)這種笨重而害羞的野獸組成的,加州大學戴維斯分校物理學教授約翰特寧(John Terning)說道,他同時是一個新的研究方案的共同作者。

多年來,科學家們使用強大的粒子加速器搜索這些緩慢的無電荷粒子。但隨著時間的推移,物理學家排除了越來越多的可能WIMP —— 然後這個流行的想法漸漸失去了吸引力。雖然沒有完全被排除,「在過去十年中,人們一直在考慮除WIMP之外的其他可能性」,特寧說。

另一種理論認為暗物質實際上是由光的粒子(或稱光子)組成的。

「除了我們能看到的普通光子外,可能還有一些我們看不到的光子」,特寧說。這些所謂的「暗光子」是具有質量但比電子輕的假想粒子。雖然相當微弱,暗光子會與普通光子相互作用。

在這項新的研究中,特寧和他的博士後研究員克理斯多夫偉爾哈倫(Christopher Verhaaren)基於這個理論的基礎上,提出了暗物質也可能由暗半磁體組成。這些假想的半磁體將是物理學家保羅狄拉克(Paul Dirac)在20世紀30年代首次提出的單極子或單極磁體的暗黑版本。(儘管搜尋了幾十年,但沒有人在自然界中找到它們存在的任何證據。)

但狄拉克並不只是提出單極子,他還提出了圍繞單極子移動的電子會受到其磁場的影響。因此,如果特寧和偉爾哈倫的理論是正確的,並且這些暗黑版本的半磁體潛伏在宇宙的某個地方 —— 如果那些暗半磁體像狄拉克的單極子一樣 —— 它們也會在電子移動路徑中留下細微的線索。

特寧說,如果存在著暗單極子,它們會發出暗光子,在被電子吸收之前可以轉換成普通的光子。這種交互作用會導致電子旋轉或航向改變一點點,產生稱為Aharonov-Bohm效應的干涉圖案。(電子不僅僅是粒子,它們也是波,當電子的「波動方程」中的波峰和波谷相加成或相互抵消時,會出現干涉圖案,產生一系列平行光和黑暗線條)。特寧和偉爾哈倫建議他們可以使用電子顯微鏡檢測電子干涉圖案的這種微小變化。

來自太陽的刺激

如果存在暗物質,它就在我們身邊包圍著我們 —— 包括我們用來檢測它的任何電子束顯微鏡內部和周圍。但是為了通過電子的擾動來探測暗物質,構成暗物質的奇怪半磁體需要具有足夠強的磁場。這意味著這些半磁體需要耗費大量能量。

特寧說,通過太陽附近的單極體可能會被激發,獲得更多的能量,然後一路來到地球。他預測,每天大約會有五個受激的單極子會通過他們建議的尺寸的電子束顯微鏡。「這還不錯,因為如果普通的WIMP探測器每年能偵測到五個事件,他們會很高興」,他說。

此外,暗半磁體引起的電子相位變化非常小,為了檢測它,我們需要令人難以置信的高分辨率電子束顯微鏡 —— 目前存在的可能還不夠強大。特寧說,這種電子顯微鏡需要目前存在的分辨率的五倍大。

在任何情況下,我們都希望「讓那些擁有這種超級先進電子顯微鏡的人有興趣去尋找它們」,或者「我們可能必須建造另一個,而只是為了坐下來等待偵測到暗物質」,特寧說道。

他說,暗物質的各種競爭理論將告訴我們關於早期如何形成宇宙的完全不同的故事。更重要的是,一旦你弄清楚實際上暗物質是什麼構成的 —— 無論是輕質粒子還是重粒子 —— 人們都可以想像在地球上開設各種各樣的暗物質工廠。「如果它很輕,你就不需要太多的能量來自己製造暗物質。」

這份研究發表在期刊預印本《arXiv》上。它尚未經過同儕審查。

(編譯:心宇)

(責任編輯:姜啟明)

(文章來源:新三才首發)

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