【宇宙中暗物质】寻找宇宙中暗物质:由奇特“半磁体”组成

2019-11-25 - 暗物质

宇宙中弥漫着一种看不见的物质,它能改变恒星和星系的路径,这就是所谓的暗物质。它表现出万有引力的影响,但从未与光发生相互作用,直到现在,科学家还不知道暗物质由什么构成,也无法真正探测到它们,不过,一种新的理论很可能为探测暗物质提供新的方法。

宇宙中暗物质

来自美国加州大学戴维斯分校的理论物理学家在简报中称,暗物质可能由奇特的"半磁体"组成,通过一个功能强大的电子显微镜(目前还不存在),未来科学家或许能够最终探测到它们。

然而,并不是所有的物理学家都同意这一观点。德国法兰克福高等研究院的研究人员认为这个理论很简洁,但前景并不看好,你可以发明无限多的粒子来组成暗物质,这只是其中一种。

宇宙中暗物质

"对于每一种粒子,你都可以做大量的计算,发表论文,构思实验,然后你可以为这些实验争取资金。"如果你真的很幸运,有人会做你的实验——然后什么也不会发现。"

对暗物质的探索

虽然许多理论预测了暗物质的存在,但我们并不知道暗物质到底是什么样子,也不知道它是由什么构成。许多物理学家相信,暗物质是由一些尚未被发现的粒子组成的,很长一段时间以来,弱相互作用大质量粒子(Weakly Interacting Massive Particle, 简称WIMP)被认为是暗物质最有可能的"候选者"。

宇宙中暗物质

多年来,科学家使用强大的粒子加速器来寻找这些缓慢的、没有电荷的粒子,但随着时间的推移,物理学家排除了越来越多的WIMP候选粒子的可能性,这个流行的观点也失去了吸引力,尽管还没有完全排除,但在过去的10年里,人们一直在考虑WIMP之外的其他可能性。

另一种理论认为,暗物质实际上是由光粒子(即光子)组成的,除了我们能看到的普通光子,可能还存在一些我们看不到的光子。这些所谓的"暗光子"是假想的粒子,它们有质量,但比电子轻,暗光子会与常规光子相互作用——尽管相当微弱。

在这项新研究中,物理学家在暗光子理论的基础上,提出暗物质也可能是由"暗半磁体"组成的,这些假想的半磁体是磁单极子的暗物质版本。在理论物理学中,磁单极子是假设的仅带有单一磁极的基本粒子——类似于只带负电荷的电子。

20世纪30年代,物理学家保罗•狄拉克(Paul Dirac)在数学上论证了磁单极子存在的可能性,然而,尽管科学家寻找了数十年,但至今还没有在自然界中找到任何证明磁单极子存在的证据。

狄拉克不仅提出了磁单极子的概念,他还提出,在磁单极子周围运动的电子会受到其磁场的影响,那么这些暗半磁体就潜伏在宇宙的某个地方;而如果它们的行为类似于狄拉克提出的磁单极子,那它们也会在电子的路径中留下微妙的线索。

如果存在暗单极子,那它们就会发射出暗光子,后者能在被电子吸收之前转化为常规光子,这种相互作用会导致电子旋转或稍稍改变轨道,产生一种称为阿哈罗诺夫-玻姆效应的干涉图样。电子不仅仅是粒子,它们同时也是波,当电子的"波动方程"中的波峰和波谷相互叠加或抵消时,就会形成一系列平行的明暗线,即出现干涉图样,科学家或许能够利用电子显微镜探测到电子干涉图样中这种非常微小的变化。

被太阳激发的暗物质

在我们的体内和周围——包括探测暗物质的电子束显微镜的内部和周围——可能都存在着暗物质。如果要通过电子受到的扰动来探测暗物质,那组成暗物质的奇特半磁体就需要有足够强的磁场,这意味着,这些半磁体需要有很多能量。

经过太阳附近的单极子可能会变得活跃,它们会获得更多的能量,然后到达地球,在这些活跃的单极子中,每天大约会有5个穿过他们所提出的电子束显微镜。由暗半磁体引起的电子相位变化非常之小,为了探测到它,我们需要非常高分辨率——可能要比现有的高5倍——的电子束显微镜,我们或许可以"让这些拥有超级电子显微镜的人有兴趣寻找暗物质",否则我们就可能不得不只为了发现暗物质而另外建造一个。

目前,物理学家们提出了许多相互竞争的暗物质理论,对早期宇宙如何形成提出了完全不同的看法。这项新研究的结果已经发表在预印本杂志arXiv上,还没有经过同行评审。

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