分享

这些粒子可以打开暗物质世界的大门

2018-12-04  快乐老年435
这些粒子可以打开暗物质世界的大门

我们知道它就在外面。它构成了宇宙中的大部分物质,并用一只隐藏的引力之手塑造了它最宏伟的特征。然而,尽管对这位神秘的被称为暗物质的宇宙建筑师进行了长时间的努力来揭示他,但他仍在逃避探测。

无数的暗物质搜寻者花了几十年的时间试图捕捉他们的主要暗物质候选者。但他们与暗物质之间的斗争导致了新一波的不同方法的尝试。他们不是为寻找单个候选者而量身定做,而是接受了暗物质由一系列粒子和力组成的可能性,这是一个与我们自己平行运作的整个暗区。

只有最微弱的交流才能进入这个隐藏的领域:这些粒子能够将信息从暗处传送到熟悉的物质世界。现在的计划是跟踪这些中间人,因为他们通过这些黑暗入口传递信息,可以窃听他们以了解另一边的宇宙。加州大学欧文分校的理论家乔纳森·冯(Jonathan Feng)说:“这是我们思考问题的方式的转变,这为搜索工作注入了新的活力。”

我们所知道的关于暗物质的所有信息都来自星系外部恒星的移动速度比预期的要快,这是因为存在大量的可见质量。事实上,如此之快的速度,我们所看到的星系早就应该被撕裂了。对于一些物理学家来说,这就有足够的理由相信爱因斯坦的引力定律是错误的。另一些人则坚持认为,某种无形的物质形式一定潜伏在幕后,将宇宙凝聚在一起。

可怜的WIMP

几十年来,最主要的怀疑对象一直是弱相互作用的大质量粒子(WIMP)。这一假设的重粒子之所以吸引人,是因为他的惊人巧合:当物理学家计算到今天有多少重粒子能够从早期宇宙幸存下来时,他们得到的暗物质的数量正是我们需要解释我们的观测结果的数量。对他们有利的另一点是,类似WIMP的粒子自然产生于超对称性,这是一种数学上优雅的理论,旨在消除标准模型中的一些小问题,这是我们对粒子及其相互作用的最好描述。

这些粒子可以打开暗物质世界的大门

总之,WIMP看起来是如此炙手可热的候选者,这只是一个吸烟的问题。对于实验主义者而言,理论预测WIMP除了引力之外,还能感受到微弱的核力,这种核力更强,但只在很小的距离上起作用。这使它们能够在实验中与常规物质相互作用,并引发了一场世界范围内寻找它们的竞赛。

然而,没有他们存在的任何迹象,也没有迹象表明超对称性预测的任何已知粒子的重粒子伙伴。当然,它们可能还会出现,但我们最有希望的候选者看起来已经不太现实了,因为它的理论基础看起来不稳定,这种情况已经把许多年轻的暗物质搜寻者推向了一个有趣的新方向。

乔纳森·冯和其他人提出的是,暗物质可能不是由任何一个粒子组成,而是一个完整的组合,所有这些物质都是通过一个在正常宇宙中没有任何东西能感觉到的暗力相互作用的。这个暗区的成分甚至可能形成它们自己的原子和分子,从而开启了一个全新的暗化学世界。

这可能看起来很奇怪,但有很好的理由考虑这种可能性。毕竟,我们认为普通的物质包含一个真正的粒子框架,所以假设暗物质也是如此,不需要很大的逻辑跳跃。更重要的是,近年来奇怪的观察已经暗示了暗力的存在,这表明暗物质可能比WIMP搜寻者认为的要复杂得多。

第一个观察结果是,暗物质在星系中的分布似乎比WIMP模型预测的更均匀。这可以解释为为暗物质粒子彼此施加排斥力,将自己分开。地球上的粒子实验也出现了类似的暗示异常,最近一次是在2016年,匈牙利一家核物理实验室的研究人员发现了一个铍原子的衰变,这种衰变只能通过援引一种新的自然力来解释。

声称存在一个暗区是很可行的,但是决定如何填充它则完全是另一回事。加州哈维穆德学院(Harvey Mudd College)的布赖恩·舒夫(Brian Shuve)表示:“我们可以猜测可能有无限多的暗区。”幸运的是,我们不需要这样做。冯,舒夫和其他人已经意识到,搜索可以由数据而不是理论上的猜测来指导。如果暗区能够与正常宇宙交换信息,那么这些罕见的接触点就会变成入口,可以照亮另一边的世界。

澄清一下,我们不是在讨论你可以驾驶宇宙飞船穿越的入口。芝加哥附近的费米国家加速器实验室(Fermilab)的戈丹·克恩贾克(Gordan Krnjaic)说:“我们称之为数学入口。”这些入口使粒子能够感受到暗力与规则物质的粒子相互作用。最有希望的入口类型将暗区粒子转变为标准模型中的一个。幸运的是,暗区的不可见性使我们可以大大缩小这种入口的范围。暗区的成分必须是无电荷的,由于这些粒子不能转变成带电荷的粒子,所以中间的任何粒子都必须是中性粒子。

这些粒子可以打开暗物质世界的大门

黑暗使者

最有可能与这种暗介质相互作用的三个标准模型粒子是光子(通过矢量入口)、希格斯玻色子(通过标量入口)和中微子(通过中微子入口)。多伦多大学的理论家大卫·柯廷(David Curtin)说:“如果有新的粒子存在,这些入口就是我们创造和检测它们的最好机会。”我们现在要做的就是监视他们的一举一动。

这可能需要一段时间,但监视已经开始了。三者中最有希望的或许是矢量入口,在这个入口中,设计用来产生普通光子的过程有时会吐出一个暗光子。就像普通的光子一样,这样的粒子是非常合群的:它会与任何有电荷的东西相互作用。这些交互作用的强度也相当大,这意味着有很多地方可以去寻找它,如果它在那里,我们很有机会看到它。

此外,暗光子不一定要完全类似于常规光子。它只是各种矢量玻色子(光子所属的粒子类别)的代表,它们可能构成暗区的一部分。加州斯坦福大学的娜塔莉亚·托罗(Natalia Toro)表示:“这是众多可能性中的一个。”

托罗在弗吉尼亚州的杰斐逊国家加速器设施进行实验,该设施几年来一直试图找出暗光子。它们向固定的目标发射一束高强度的电子,以产生光子,希望它们偶尔会产生一种暗光子,通过其明显的衰变来识别。其他人,包括舒夫,通过重新审视加州SLAC国家加速器实验室的Babar实验中的十年数据来寻找暗光子的证据,该实验将电子和它们的反物质对应物一起碰撞在一起。

尽管到目前为止,这两项努力都徒劳无功的,但搜寻工作已经加快了步伐。你的光束越强,你产生的光子就越多,形成暗光子的可能性就越大。这是几个新的高强度实验希望利用的可能性。

然而,在瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机(Large Hadron Collider)上。柯廷和他的团队不是用光子作为两个世界之间的桥梁,而是想用一个不同的入口--监视希格斯粒子。

“LHC可能一直在产生暗希格斯玻色子。”

希格斯玻色子及其相关的能量场以赋予其他基本粒子的质量而闻名。在一个充满大量粒子的暗区中,认为他们从暗等价物中获得质量是有意义的。柯廷说,正确探索希格斯入口的最好方法是产生大量的希格斯玻色子,而我们唯一能做的就是在我们最强大的原子加速器那里。事实上,柯廷认为大型强子对撞机可能一直在制造暗希格斯粒子。但是,尽管常规的希格斯粒子在逃脱探测器之前就已经分裂了,但暗希格斯粒子避免相互作用的倾向意味着它的寿命可能足够长,可以不受任何影响地离开。

我们已经知道这些长寿命粒子的存在,所以没有理由认为来自暗区的新粒子在衰变之前不会传播很远的距离。柯廷说,我们发现的长寿粒子可能是暗希格斯粒子,或者是来自暗区的另一种粒子,它们与暗希格斯粒子相互作用。“要知道,唯一的方法就是找到长寿的粒子,并研究它们的性质。”

这些粒子可以打开暗物质世界的大门

这似乎是个不切实际的任务。毕竟,从理论上讲,这些粒子可能在任何地方消失。但是宇宙学的观测对它们的持续时间设置了一个限制--大约0.1秒,所以诀窍是覆盖LHC周围足够大的区域来捕捉它们,不管它们从碰撞点往哪个方向移动。正因为如此,柯廷和他的同事们在大型强子对撞机上提出了一种新的探测器来捕捉它们。他们称它为MATHUSLA,以玛土撒拉(Methuselah)的名字命名,玛土撒拉是圣经中的人物。

它本质上相当于光束线上方的一个巨大的仓库,天花板上挂着探测器来跟踪任何能到达这一点的粒子。柯廷说,它可能在2026年准备就绪,届时大型强子对撞机产生的希格斯玻色子将至少是现在的10倍。这是我们看到长寿粒子,包括暗希格斯粒子的最好机会。

MATHUSLA也可能照亮由中微子提供的第三个暗入口。作为已知粒子中最小、最轻和最不容易交际的粒子,中微子可能看起来并不有趣。然而,在现实中,他们充满了神秘感。三种类型的中微子不仅能够随意转化为另一种中微子(这一过程至今仍未被完全理解),而且它们的质量是令人难以置信的轻。

为了解释这些谜团,物理学家们发明了一个更重的第四个“惰性”中微子,这个中微子比其他三个中微子更难辨认。这样的粒子具有暗物质介体的所有特征,一个能够通过中微子入口转换成规则物质的介体。

问题是,与光子和希格斯粒子不同,中微子只能感受到力,而不能携带它们。这意味着还需要另一个粒子来让暗物质的粒子与惰性中微子相互作用。但这让事情变得更加复杂。这可能解释了为什么中微子入口在很大程度上已经被忽视了。

在过去几年,人们才开始探索暗区通过惰性中微子与我们交谈的情景。他们提出的模型是有希望的,但依赖于惰性微子的确凿发现。目前有几项实验正在进行中,今年早些时候,来自费米实验室一项名为MiniBooNE的实验的暗示登上了头条新闻。

然而,如果我们确实开始可靠地产生这种物质,那么在我们长期寻找暗物质的过程中,它们将带来令人兴奋的新线索。冯说:“例如,如果我们所识别的暗光子无形地衰变,意味着它衰变为暗物质,这将告诉我们,暗物质比暗光子更轻。突然间,我们知道暗物质比什么东西轻。这将排除我们99.9%的理论。“

很难说哪一个入口(如果有的话)会暴露出暗区。加州大学河滨分校的弗利普·塔内多(Flip Tanedo)表示,事实上,问这个问题就是在忽略这一点:“我们之所以不敢说‘这是最好的候选者’,是因为我们不再这么想了。”

    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报。
    转藏 全屏 打印 分享 献花(0

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多