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来自太阳的暗「半磁体」每天都会流过我们

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【新三才首发】一种看不见的物质弥漫在宇宙中,改变了恒星和星系的路径。

这种所谓的暗物质会产生引力,但绝不会与光相互作用。没有人知道它是由什么构成的,在此之前是不可能发现它的。但是一个新的理论终于可以提供一种测试暗物质的方法。

加州大学戴维斯分校的理论物理学家于6月6日在西班牙格拉纳达举行的普朗克2019年会议上发表演讲时表示,暗物质可能由奇怪的半磁体组成。通过开启一个非常强大(但尚不存在)的电子显微镜,我们终究可能可以检测到它们。

但并非所有的物理学家都认同这个说法。

「我认为这说法很好,但不是很有希望」,法兰克福高等研究院研究员萨宾霍森菲尔德(Sabine Hossenfelder)说,她并没有参与这项研究。她补充道,「你可以发明无数的可能粒子来构成暗物质。这只是其中一个。」

「对于这些粒子中的每一个,你都可以进行大量的计算,发表论文并设计出实验,然后你可以尝试获得资金」,她说道。「如果你真的很幸运,有人可能会做你构思出的实验 —— 然后甚么也找不到。」

找寻暗物质

虽然理论预测著暗物质的存在,但我们不知道它看起来是什么样的或者它是由什么东西构成的。有一段时间,有一个「美丽的故事」说暗物质是由一个被称为弱交互作用的大质量粒子(WIMP)这种笨重而害羞的野兽组成的,加州大学戴维斯分校物理学教授约翰特宁(John Terning)说道,他同时是一个新的研究方案的共同作者。

多年来,科学家们使用强大的粒子加速器搜索这些缓慢的无电荷粒子。但随着时间的推移,物理学家排除了越来越多的可能WIMP —— 然后这个流行的想法渐渐失去了吸引力。虽然没有完全被排除,「在过去十年中,人们一直在考虑除WIMP之外的其他可能性」,特宁说。

另一种理论认为暗物质实际上是由光的粒子(或称光子)组成的。

「除了我们能看到的普通光子外,可能还有一些我们看不到的光子」,特宁说。这些所谓的「暗光子」是具有质量但比电子轻的假想粒子。虽然相当微弱,暗光子会与普通光子相互作用。

在这项新的研究中,特宁和他的博士后研究员克理斯多夫伟尔哈伦(Christopher Verhaaren)基于这个理论的基础上,提出了暗物质也可能由暗半磁体组成。这些假想的半磁体将是物理学家保罗狄拉克(Paul Dirac)在20世纪30年代首次提出的单极子或单极磁体的暗黑版本。(尽管搜寻了几十年,但没有人在自然界中找到它们存在的任何证据。)

但狄拉克并不只是提出单极子,他还提出了围绕单极子移动的电子会受到其磁场的影响。因此,如果特宁和伟尔哈伦的理论是正确的,并且这些暗黑版本的半磁体潜伏在宇宙的某个地方 —— 如果那些暗半磁体像狄拉克的单极子一样 —— 它们也会在电子移动路径中留下细微的线索。

特宁说,如果存在着暗单极子,它们会发出暗光子,在被电子吸收之前可以转换成普通的光子。这种交互作用会导致电子旋转或航向改变一点点,产生称为Aharonov-Bohm效应的干涉图案。(电子不仅仅是粒子,它们也是波,当电子的「波动方程」中的波峰和波谷相加成或相互抵消时,会出现干涉图案,产生一系列平行光和黑暗线条)。特宁和伟尔哈伦建议他们可以使用电子显微镜检测电子干涉图案的这种微小变化。

来自太阳的刺激

如果存在暗物质,它就在我们身边包围着我们 —— 包括我们用来检测它的任何电子束显微镜内部和周围。但是为了通过电子的扰动来探测暗物质,构成暗物质的奇怪半磁体需要具有足够强的磁场。这意味着这些半磁体需要耗费大量能量。

特宁说,通过太阳附近的单极体可能会被激发,获得更多的能量,然后一路来到地球。他预测,每天大约会有五个受激的单极子会通过他们建议的尺寸的电子束显微镜。「这还不错,因为如果普通的WIMP探测器每年能侦测到五个事件,他们会很高兴」,他说。

此外,暗半磁体引起的电子相位变化非常小,为了检测它,我们需要令人难以置信的高分辨率电子束显微镜 —— 目前存在的可能还不够强大。特宁说,这种电子显微镜需要目前存在的分辨率的五倍大。

在任何情况下,我们都希望「让那些拥有这种超级先进电子显微镜的人有兴趣去寻找它们」,或者「我们可能必须建造另一个,而只是为了坐下来等待侦测到暗物质」,特宁说道。

他说,暗物质的各种竞争理论将告诉我们关于早期如何形成宇宙的完全不同的故事。更重要的是,一旦你弄清楚实际上暗物质是什么构成的 —— 无论是轻质粒子还是重粒子 —— 人们都可以想像在地球上开设各种各样的暗物质工厂。「如果它很轻,你就不需要太多的能量来自己制造暗物质。」

这份研究发表在期刊预印本《arXiv》上。它尚未经过同侪审查。

(编译:心宇)

(责任编辑:姜启明)

(文章来源:新三才首发)

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