快捷搜索:

科学知识

当前位置:betway必威官网手机版 > 科学知识 > 盘点地壳深处五大神秘粒子,引力效应告诉我们

盘点地壳深处五大神秘粒子,引力效应告诉我们

来源:http://www.abirdfarm.com 作者:betway必威官网手机版 时间:2019-07-26 16:59

betway必威官网手机版 1

betway必威官网手机版 2

****宇宙中物质的大部分却是我们所看不到的。但引力效应告诉我们,那些看不到的物质就在那里**

缺失的宇宙:暗物质的搜寻 或为全新粒子

当世界上最大的原子对撞机忙着搜寻上帝粒子――希格斯玻色子的存在时,科学家此时正在建造地壳下方1公里深处最大的实验室,旨在寻找宇宙中最神秘的粒子。岩石层可能有一种新力量存在的证据,它能够保护在此进行的最精密实验不受到宇宙射线和其它高能粒子的辐射,帮助科学家窥探极其罕见的粒子。以下盘点了可能位于地下的五种神秘粒子,包括非粒子、弱相互作用重离子等。

(本文由 Nautilus 授权转载,译/姜Zn)实验科学家有时候是个吃力不讨好的工作。你可能在新闻头条中读过很多关于得出重大发现的实验报道,但是对于那些还没能观测到期望结果的实验者们,他们作出的努力(常常甚至是壮举)你可能知之甚少。

XENON1T装置(图片来源:XENON1T官网)

****大型强子对撞机这样的设备最终能够探测到暗物质粒子吗?**

betway必威官网手机版 3

非粒子

这些在实验上付出的努力,有些跨越了几十年的时间,凝聚了几代人的劳动和专业知识。毫无成果的研究常常和世人皆知的大发现一样有科学价值:我们能了解到更多知识——自然世界不是什么样的,或者没有什么东西。但是倘若得到了一个正面的结果,则会对我们产生远为深刻的影响:它会改变我们对宇宙的认识,或我们在宇宙中的角色。

XENON1T是一个暗物质探测项目,其装置位于意大利格兰萨索国家实验室的地下1400米处。虽然暗物质粒子尚未现身,但XENON1T却取得了意料之外的发现。在本周《自然》期刊的一项研究中,XENON1T团队发现了迄今为止最为罕见的事件:半衰期长达1.8x1022年,相当于万亿倍宇宙寿命的氙124衰变。这个意外发现,或许能为我们揭开中微子的性质之谜。

我们所在宇宙的大部分是不可见的,我们只能通过它们对其他物质施加的引力作用才能感知到它们的存在。并且到目前为止,科学家们对于这些看不见的物质究竟是什么,以及为何它们会构成我们所在宇宙如此大的一部分几乎仍然一无所知。

宇宙中物质的大部分却是我们所看不到的。但引力效应告诉我们,那些看不到的物质就在那里

物理学家一直在地球地幔处寻找一种新的基本力。非粒子,兼具光子和拥有重量的粒子的双重特性,或可能是导致远程自旋相互作用的主要原因,这是指导致原子中的电子在长距离范围内将它们的自旋频率逐渐调整统一的新型力。

以下是7项还在进行中的实验,它们目前都还没有找到想找的答案。但这些实验全都因设计精巧和充满野心而出众,不难想象为什么这些实验能够坚持不懈地持续推进了。

本文转载自环球科学(huanqiukexue)

他们将这种物质命名为“暗物质”,它们占据了我们整个宇宙中物质总量的4/5。那么这构成宇宙大部分的神秘物质究竟隐匿在何处?科学家们何时才能找到它们?当然,首先要问的是,我们一开始是如何知道暗物质的存在的?

betway必威官网手机版 4

betway必威官网手机版 5

为了“照亮”暗物质,把一箱液态氙埋到地下

科学家们推论,所有我们能观测到的星系都被宇宙中的某种结构支撑着,而构成这种结构的则是暗物质的“细丝”。环绕着各个星系的暗物质圈提供了额外的引力,使得恒星得以绕着星系的核心旋转。但是我们从未直接探测到过暗物质。过去的几十年里科学家们做出了许多尝试,试图通过暗物质与普通物质间极弱的作用来探测暗物质,但是全都一无所获。

在暗物质的诸多可能的存在形式中,所谓的弱作用重粒子(WIMP)对于粒子物理学家是比较可信的形式之一。LUX(“大型地下氙实验”)的实验场所的前身是一处矿井,位于美国南达科他州的地下1510米处;它给暗物质探测实验设立了相当高的标准。LUX由大约三分之一吨的液态氙和探测器组成。它被密封在一个装有72000吨高纯度水的容器中,水的作用是过滤掉有干扰性的宇宙射线。环绕在液态氙周围的探测器极其灵敏,能够捕捉到暗物质与哪怕一个氙原子碰撞所放出的微弱光线。

由于LUX没能探测到暗物质,科学家们计划对它进行升级——升级后的LUX-Zeplin实验会使用约20倍于LUX的液氙量。至于LUX-Zeplin能否有LUX没能取得的发现,目前仍未可知。大自然似乎有着嘲弄科学家的梦想和希望的嗜好。

撰文 | 张华

暗物质的发现历程

大型强子对撞机这样的设备最终能够探测到暗物质粒子吗?

为了发现这种新基本力的存在证据,研究人员已经标记出地球地幔里的电子的密度和自旋,目前正在调查这些地下电子是否会影响两个相距4828千米的实验中的中子和电子的自旋。如果地幔中的电子传输一种力量给实验室里的粒子,那么它将改变粒子的自旋频率。这种新基本力也将与引力、电磁力和强弱的核力一起影响宇宙的行为。

为了(真正)看清宇宙大爆炸残留的引力波,钻研各种频率

引力波是电磁辐射的引力版。宇宙大爆炸时期形成的引力波(原初引力波)理应会在宇宙微波背景中留下独特的痕迹;宇宙微波背景则是宇宙大爆炸所残留的辐射,而大爆炸形成了我们身处的可观测的宇宙。这种引力波的痕迹在温度和偏振上会有细微的波动,它可以为我们提供宇宙在中性氢刚刚形成的特定时期的简要情报——那时宇宙只有379000岁。这种痕迹应该会有一种旋转的偏振模式,学名叫“B模偏振”。

宇宙泛星系偏振背景成像(BICEP)和凯克天文望远镜阵列(Keck Array)的合作实验在2014年宣布一个激动人心的消息:他们探测到了这种B模偏振。然而,他们探测到的B模偏振的源头实际上只是很普通的东西,原本以为是原初引力波,其实则是极化了的尘埃颗粒。在银道坐标系的高纬度地区,如果量足够大,这些尘埃可以产生类似于引力波的B模偏振的旋转模式。

BICEP和凯克的合作团队并没有气馁。他们升级了配置:BICEP3由大约2500个探测器(又叫做“辐射热测量计”)组成,比起它的前身,BICEP3可以探测低得多的宇宙微波背景的频率。历代不同版本的BICEP已经观测了十年,科学家们还是没能探测到由原初引力波发出的B模辐射。但是对B模辐射的探索并不会在短期内停止——实际上,试图首先探测到它的竞争才刚刚开始升温。

很多时候,做物理实验像守株待兔,兔子不一定会来……

暗物质最早是在1930年代由瑞士天文学家弗里茨·兹威基(Fritz Zwicky)发现,他对星系团质量的计算数值显示宇宙中有些质量“缺失”了。因此,不管构成宇宙完整质量的其他物质是什么,这种物质一定是不发光的,也不会通过除引力之外的其他途径与其他物质之间发生相互作用。

新浪科技讯 北京时间10月18日消息,据国外媒体报道,我们所在宇宙的大部分是不可见的,我们只能通过它们对其他物质施加的引力作用才能感知到它们的存在。并且到目前为止,科学家们对于这些看不见的物质究竟是什么,以及为何它们会构成我们所在宇宙如此大的一部分几乎仍然一无所知。

暗物质粒子

盘点地壳深处五大神秘粒子,引力效应告诉我们缺失的宇宙就在那里。为了了解强核力与弱电相互作用力是否有联系,寻找光的“音爆”

从量子力学的开端,到认为弱核力(某些类型的放射性衰变与它有关)和电磁力实际上是同一种‘电-弱’力的不同形式,经过几十年的理论与实验的相辅相成,最终人们得到了所谓的粒子物理学标准模型。只有在我们熟知的标准实验室的环境下,电磁力与弱核力才表现出不一样的特性。这是由于希格斯场将质量赋予与它进行作用的粒子,从而隐藏了这两种力之间潜在的对称性。

在标准模型中,我们认为还有一种力可以和弱电相互作用力联系起来:强核力。在一种名为“大统一”的过程中,能量级达到CERN(欧洲核子研究中心)能量极限的万亿倍时,强核力和弱电相互作用力有着相近的特性。大统一理论的预测之一是,本应是稳定粒子的质子可能会衰变成其它粒子——例如π介子和正电子——尽管这种现象极其罕见。在一些模型里,质子的半衰期可能会达到宇宙年龄的一百亿亿亿(10^26)倍。

超级神冈中微子探测实验——以及它正在筹划中的升级版,究极神冈中微子探测实验——位于日本中部的神冈实验室的一座山下1000米处。它们的任务之一是在装满了极高纯度的水的巨大水箱中探寻那种罕见的质子衰变的蛛丝马迹。通过寻找被称为切连科夫辐射的微弱光线(相当于光的“音爆”),超级神冈中微子探测实验的目标是寻找质子衰变成的那些能量极高的粒子。

betway必威官网手机版 6美国爱达荷国家实验室的先进试验堆,切连科夫辐射发出微光。图片来源:美国阿贡国家实验室

目前为止,一无所获。不过,究极神冈中微子探测实验预计可以在2020年投入使用。它计划达到的探测灵敏度将比它的上一任提升十倍。

比如几十年前,日本的小柴昌俊在日本神冈的一个废弃的地下矿井里,用3000吨纯净水和1000个直径20英寸的光电倍增管探测质子衰变的信号。他们努力了很久,但神冈实验没有找到质子衰变。等得时间越长,越能确定质子的寿命,最后确定质子的寿命大于1033年。

到了1970年代,美国女天文学家维拉·鲁宾(Vera Rubin)发现星系内恒星的旋转速度不符合牛顿运动定律:她对仙女座大星系的观测显示,处于星系内部和边缘的恒星,它们围绕星系核心公转的速度似乎是完全一样的,而按照正常的牛顿定律,外侧的恒星公转速度应该要比内侧的恒星更慢。很显然,在星系外侧边缘一定存在着未知的质量,某种我们无法看到的质量体。

他们将这种物质命名为“暗物质”,它们占据了我们整个宇宙中物质总量的4/5。那么这构成宇宙大部分的神秘物质究竟隐匿在何处?科学家们何时才能找到它们?当然,首先要问的是,我们一开始是如何知道暗物质的存在的?

宇宙充满了各种不可见的物质,它们也被称为暗物质,后者的引力拖拽作用是导致星系不会分崩离析的主要原因。目前最主要的理论认为暗物质是由弱相互作用重离子组成的,后者很少会与正常物质发生相互作用。

为了证实超对称,检测中子

粒子物理学的标准模型认为,中子(它和质子一起组成了原子核)的电偶极矩(EDM)极其微小(EDM是相反的两种电极之间固定的间距)。中子的EDM之小可能正是它没有被探测出来的原因。但是超对称理论——该理论认为力和物质是统一的——拓展了标准模型,它预测的EDM可能能达到标准模型预测的10万倍之大。

通过寻找中子EDM的范围,科学家可以测试超对称是否在自然中存在;通过这种方式得到的结果比通过粒子加速器实验得到的更准确。位于法国格勒诺布尔市的劳厄

  • 朗之万研究所(Institute Laue-Langevin)的CryoEDM实验就是其中之一。通过观察超慢中子在磁场和电场中的“进动”(自转轴方向的变化),我们可以对中子的EDM进行精准的测量,因为如果中子EDM存在,它的进动率在这两种场内将会有所不同。

当CryoEDM达到它设计中的最高灵敏度时,如果还检测不到EDM,那就基本可以否决超对称性的存在。另一方面,如果它能检测到EDM,那将是证明超对称在自然中存在的有力线索,因为标准模型预测中的EDM微小到无法被现有的实验设备检测出来。

但是,守得云开见月明。1987年,16万光年之外的超新星爆发,小柴昌俊那几千吨纯净水探测到了超新星中微子。因为这个贡献,他在2002年得了诺贝尔物理学奖——这就是“来自16万光年之外的礼物”。

其他证据来自引力透镜效应,简单来说这种效应指的是大质量天体的引力场导致周边天体光线被弯曲的现象。根据爱因斯坦所提出的广义相对论,重力能够弯曲时空,就像当你站在一个床垫上,你站立的地方会向下凹陷一样。因此即便光子本身是没有质量的,但由于光线沿空间传播,空间本身的弯曲会导致光线的弯曲。观测数据显示,在某些大型星系团周围出现的强烈光线弯曲现象没有办法用这个星系团中可以观测到的可见物质的质量来解释。换句话说,这些星系团的质量比它们看上去大的太多了。

暗物质最早是在1930年代由瑞士天文学家弗里茨:兹威基(Fritz Zwicky)发现,他对星系团质量的计算数值显示宇宙中有些质量“缺失”了。因此,不管构成宇宙完整质量的其他物质是什么,这种物质一定是不发光的,也不会通过除引力之外的其他途径与其他物质之间发生相互作用。

好几处实验室,包括美国南达科塔州霍姆斯塔克金矿的最大地下氙探测器,也依赖地壳以保护实验不受到宇宙射线的辐射。目前为止,搜寻到重离子的证据寥寥无几,但正在进行的其它几项试验或可能在未来几年有新的发现。

为了看到更高的维度,给引力来个特写

如果更高的维度存在,它们将可以影响引力在极短距离内的表现。这不但意味着它们会偏离牛顿引力的平方反比定律,而且标志着一种新的短距离引力的存在,这将会违背所谓的等效原理。等效原理指出,在同一个引力场内,所有的物质——不管是炮弹还是苹果——都会以完全相同的方式下落。高维度会多些麻烦的原因是,控制高维度规模的场本身会模仿引力的效果,但这种情况只发生在极短的距离之内,而且对于不同类型的物质,它的影响也不同。

betway必威官网手机版 7科学家认为时空间的更高纬度可能会以六维卡拉比-丘流形的形式存在,镜像对称的假说就源自于这个想法。图片来源:Lunch

虽然爱因斯坦的广义相对论已经通过了从太阳系尺度到宇宙尺度的全面考验,科学家们近期才开始在亚毫米尺度上对它进行系统的测试。

华盛顿大学的埃特-沃实(Eöt-Wash)小组(以埃特沃斯男爵Baron Eötvos命名,他在20世纪初开创了这样的实验)正利用精确校准的扭秤搜寻违背等效原理(以及偏离平方反比定律)的现象。他们的观测尺度已经接近几十万分之一米。目前为止,他们还没发现不符合牛顿定律或是等效原理的现象;这意味着更高的维度(如果存在的话)蜷曲在远小于几十分之一微米的区域内。

探测暗物质的实验,也发生了类似的意外。

然后是宇宙微波背景辐射(CMB),这是宇宙大爆炸的余晖,除此之外对于超新星的观测也得到了相同的结论。美国夏威夷大学物理学教授杰森·库马尔(Jason Kumar)表示:“宇宙微波背景辐射告诉我们的信息简单来说就是宇宙在空间上基本是平坦的。这种平坦的含义是,简单来说,如果你在宇宙中画两条穿越整个宇宙的线,它们将永不相交,即便这两条线的直径达到数十亿光年也仍然如此。而在一个曲率较大的宇宙中,这样的两条线将会在空间里的某处相交。”

到了1970年代,美国女天文学家维拉:鲁宾(Vera Rubin)发现星系内恒星的旋转速度不符合牛顿运动定律:她对仙女座大星系的观测显示,处于星系内部和边缘的恒星,它们围绕星系核心公转的速度似乎是完全一样的,而按照正常的牛顿定律,外侧的恒星公转速度应该要比内侧的恒星更慢。很显然,在星系外侧边缘一定存在着未知的质量,某种我们无法看到的质量体。

太阳中微子

为了一窥宇宙学“黑暗时代”,收听微弱的电波信号

我们对于宇宙历史中的一个时期知之甚少,即所谓的“黑暗时代”。这是“复合”之后的一段时期,彼时中性氢刚刚形成,恒星还没有开始发光。一个单独的氢原子并不会释放多少辐射;然而,就像行星会在公转的同时自转一样,围绕氢原子核的运行的唯一一个电子也会围着一条轴“自转”。电子自转与公转运动的方向或是相同,或是相反;后者的能量会更低。

黑暗时代中,一部分中性氢被宇宙微波背景激发了:它们的电子会以能量更高的自转与公转同向的形式运动。当这些被激发的氢原子转变到低能量的 “非同向”的运动模式时,它们会放出一种频率约为14亿赫兹的辐射,这种辐射相当于一种十分微弱的,波长约21厘米的无线电波,检测到这种被称为“21厘米背景”的辐射能让我们直接观测到黑暗时代。

分布于欧洲(主要在荷兰)的低频射电阵望远镜(LOFAR)由一组大约20000个相控阵天线组成。它们从2012年开始向宇宙中窥探,试图探测到这种非常弱的信号。然而地球,以及它所身处的星系,是很嘈杂的;目前为止,探测到盖过我们身边的噪声的,来自黑暗时期的信号是件不可能的事。一项雄心勃勃的项目正在推进中:一个名为平方千米阵(SKA)的国际望远镜矩阵也许可以将实验推进一步,不过现在,黑暗时代依然是黑暗的。

寻找WIMP

研究人员随后计算了宇宙中应当含有多少物质的量,才能保证宇宙是平坦的,并且能够产生我们在宇宙中所观察到的那么多数量的“常规物质”(也称“重子物质”)。

其他证据来自引力透镜效应,简单来说这种效应指的是大质量天体的引力场导致周边天体光线被弯曲的现象。根据爱因斯坦所提出的广义相对论,重力能够弯曲时空,就像当你站在一个床垫上,你站立的地方会向下凹陷一样。因此即便光子本身是没有质量的,但由于光线沿空间传播,空间本身的弯曲会导致光线的弯曲。观测数据显示,在某些大型星系团周围出现的强烈光线弯曲现象没有办法用这个星系团中可以观测到的可见物质的质量来解释。换句话说,这些星系团的质量比它们看上去大的太多了。

位于意大利的萨索国家实验室的物理学家在所谓的变型,或者称为“风味”的过程中,发现了太阳中微子的痕迹。太阳的核反应会产生这些不带电的粒子,但主要的理论认为它们在前往地球的过程或会发生“风味”的改变。因此,寻找特定风味的太阳中微子的物理学家最终只会测量到比他们预期更少的极少数太阳中微子。

为了发现外星人,只需永远侧耳倾听

如果能发现宇宙中存在着其他智慧生命的确凿证据,这将会是人类文明的一个分水岭。自从无线电技术出现以来,人类就在通过各类实验试图搜寻地外文明的痕迹。我们最基本的假设是,(外星)人为的电波信号的频率范围会很窄,也会有重复性,所以就像人类发送的无线电一样,可以和宇宙中自然产生的电波区别开来。1977年我们探测到了一次非常诱人的候选信号,但是此后它再也没有出现过,我们也没法排除它是自然形成的可能性。

betway必威官网手机版 8位于波多黎各的阿雷西博天文台参与了对地外文明的搜寻。图片来源:美国国家海洋和大气管理局(NOAA)

搜寻地外文明计划(SETI)仍在继续。SETI专用的多种射电望远镜中有一种叫做艾伦望远镜阵(ATA),它最近又新添了名义上用于寻找系外行星的技术。科学家们还提出要用SETI来寻找外星人的巨型结构;这是基于物理学家弗里曼·戴森(Freeman Dyson)的设想:高级文明可能会用巨型的设施(戴森球)来直接从母恒星中获取能量。虽然几十年来人类寻找地外文明的共同努力全都一无所获,但是我们现在有着史上最好的装备来解决亚瑟·克拉克(Arthur C. Clarke)的著名的忧虑:“有两种可能:我们在宇宙中是孤单的,或者我们不是。两者同样令人恐惧。”(编辑:小Alice呀)

betway必威官网手机版 9

本文由 Nautilus 授权果壳网(guokr.com)编译发表,严禁转载。 

在意大利格兰萨索国家实验室(Gran Sasso National Laboratory),有一个探测暗物质粒子的项目——XENON1T。这个实验室与日本神冈小柴昌俊当年的实验室很像,也是很深的地下井,也需要用到很纯的液体探测器。

库马尔说:“我问我自己,理论计算显示宇宙中应当存在的物质的量与重子物质的量相吻合吗?答案是否定的。”这一差异性为宇宙学家和天文学家们提出了一个强烈的暗示,表明宇宙中应当还存在大量我们看不到的暗物质。这种物质不会发光,也不像质子或者电子那样具有电性,因此一直到目前为止,暗物质仍然没有被直接探测到。

然后是宇宙微波背景辐射,这是宇宙大爆炸的余晖,除此之外对于超新星的观测也得到了相同的结论。美国夏威夷大学物理学教授杰森:库马尔(Jason Kumar)表示:“宇宙微波背景辐射告诉我们的信息简单来说就是宇宙在空间上基本是平坦的。这种平坦的含义是,简单来说,如果你在宇宙中画两条穿越整个宇宙的线,它们将永不相交,即便这两条线的直径达到数十亿光年也仍然如此。而在一个曲率较大的宇宙中,这样的两条线将会在空间里的某处相交。”

betway必威官网手机版 10

betway必威官网手机版 11

库马尔说:“这就像一个谜团。”此前科学家们已经尝试很多种方法试图实现对暗物质的探测,或者是通过观察它们与普通物质之间的相互作用,或者是搜寻理论上被认为可能是构成暗物质的粒子迹象。库马尔表示:“相关的实验将会逐渐改善,并且目前看来在取得进展方面还尚未遭遇任何明显的困难。”

研究人员随后计算了宇宙中应当含有多少物质的量,才能保证宇宙是平坦的,并且能够产生我们在宇宙中所观察到的那么多数量的“常规物质”。

太阳中微子很少与物质发生相互作用,但是通过从欧洲核子研究委员会物理学实验室发送731米粒子束至萨索国家实验室,物理学家成功的捕获到正在改变风味的粒子。这项发现证实了中微子在从太阳到地球的过程中的确会发生风味的改变。

格兰萨索国家实验室外景(图片来源:wikipedia)

暗物质不可能是什么?

库马尔说:“我问我自己,理论计算显示宇宙中应当存在的物质的量与重子物质的量相吻合吗?答案是否定的。”这一差异性为宇宙学家和天文学家们提出了一个强烈的暗示,表明宇宙中应当还存在大量我们看不到的暗物质。这种物质不会发光,也不像质子或者电子那样具有电性,因此一直到目前为止,暗物质仍然没有被直接探测到。

发现反中微子

只不过,日本神冈用的是纯净水,而意大利的XENON1T用的是纯度极高的液氙。氙是一种惰性气体,一般被汽车改装者用做氙灯,氙灯可以亮瞎对面车道上的车主。这种惰性元素,是怎样用来探测神秘的暗物质粒子的?

关于暗物质的本质,此前已经有过多种不同的理论。最早的理论显得非常直白:科学家们认为暗物质隐匿在所谓的“晕内大质量高密度天体”(MACHOs)中间,比如中子星、黑洞、褐矮星和流浪行星等等。它们不会发光,或者发光性很弱,因此在望远镜观测看来,这些天体往往是不可见的。

库马尔说:“这就像一个谜团。”此前科学家们已经尝试很多种方法试图实现对暗物质的探测,或者是通过观察它们与普通物质之间的相互作用,或者是搜寻理论上被认为可能是构成暗物质的粒子迹象。库马尔表示:“相关的实验将会逐渐改善,并且目前看来在取得进展方面还尚未遭遇任何明显的困难。”

中微子可能形成于太阳,但地球地幔内部的放射性元素也能产生少量的中微子。萨索国家实验室还成功的围困了某些所谓的反中微子,后者形成于放射性的铀或者钍衰变。这种新粒子或可能解释地球内部形成了多少热,从而导致构造板块的运动。为了捕获从地幔放射出的反中微子,研究人员使用了一种基于油的液体,当亚原子粒子撞击该液体时它会发光。研究人员鉴别出反中微子的存在是因为当中子撞击液体的原子时,它们放射出正电子。

需要强调的是,暗物质粒子的理论模型非常多,寻找暗物质粒子犹如在茫茫人海中找人。直到现在,我们甚至连暗物质的名字到底是什么都不知道。有的人说暗物质叫WIMP,有的人说暗物质叫Axion……公说公有理,婆说婆有理。

然而,对于这类晕内大质量高密度天体扭曲背景星光效应——也就是所谓的“微引力透镜效应”开展的观测结果显示,这一效应无法解释存在于星系周围的暗物质规模,甚至连其中的一小部分都不足以解释。美国费米国家实验室助理研究员丹·胡珀(Dan Hooper)表示:“晕内大质量高密度天体理论现在已经基本上被排除了。”

暗物质不可能是什么?

betway必威官网手机版 12

在众多暗物质理论模型中,有一种质量在1GeV~1000GeV量级(作为对比,我们知道质子的质量接近1GeV)的候选暗物质粒子格外受物理学家青睐,这个粒子就是弱相互作用大质量粒子(Weakly Interacting Massive Particle,简称WIMP)。

暗物质应该也不会是那些因为不发光而难以被望远镜观测发现的低温气体云团。因为尽管自身并不发光,但气体云团会吸收来自远方背景恒星和星系发出的光线并在更长的波段上发出辐射,因此如果暗物质实际上是气体云团的话,我们应该会在红外波段上观测到强烈的信号。但实际上我们并未观测到这样的强烈信号,因此这一可能性也就被排除了。

关于暗物质的本质,此前已经有过多种不同的理论。最早的理论显得非常直白:科学家们认为暗物质隐匿在所谓的“晕内大质量高密度天体”中间,比如中子星、黑洞、褐矮星和流浪行星等等。它们不会发光,或者发光性很弱,因此在望远镜观测看来,这些天体往往是不可见的。

核子衰变

上海交通大学物理与天文学院博士后张佳骏告诉《环球科学》记者:“WIMP是一类流行的暗物质候选者。在宇宙热大爆炸模型中,随着早期炽热的宇宙逐渐膨胀并冷却,暗物质粒子与其他粒子解耦合并且长期稳定留存到今天。只要暗物质粒子具有相当于弱相互作用的反应截面,或者说它可以参与弱相互作用,并且它们还比较重(静质量大于1GeV),在广泛的质量范围内(从GeV直到TeV量级),都能自然地解释现在天文观测到的暗物质的密度。这就是WIMP得名的原因——参与弱相互作用并且质量大。而WIMP在热大爆炸宇宙模型中对于宇宙暗物质密度的成功解释就被俗称为WIMP奇迹。”

暗物质可能是什么?

然而,对于这类晕内大质量高密度天体扭曲背景星光效应——也就是所谓的“微引力透镜效应”开展的观测结果显示,这一效应无法解释存在于星系周围的暗物质规模,甚至连其中的一小部分都不足以解释。美国费米国家实验室助理研究员丹:胡珀(Dan Hooper)表示:“晕内大质量高密度天体理论现在已经基本上被排除了。”

尽管很多亚原子粒子会衰变成其它粒子,但目前科学家还尚未发现组成原子核的质子和中子的衰变。旨在揭示物理学的一切的大统一理论预测了核子衰变的存在。

可以看出,WIMP肯定比质子重,因此如果要让它去撞一个原子核,假设这个被撞的原子核质量与WIMP差不多,那么就可能发生弹性碰撞,可以把被撞的原子核加速到很高的速度。这个被撞的原子核获得这些动能后可以运动起来,最后撞上别的物质而发光,科学家可以通过发出的光来推算WIMP的质量与其相互作用的截面。

“弱相互作用大质量粒子”(WIMPs)理论是近年来最有希望解释暗物质本质的候选理论之一。WIMPs是质量非常大的粒子,其质量值可以达到质子的10~100倍。它们产生于宇宙大爆炸过程当中,尽管时至今日仅有很少一部分仍然残留下来。这类粒子会与常规物质之间存在引力或弱核力的相互作用。质量较大的WIMPs粒子在空间移动的速度更慢,因而被称作是“冷”(cold)的暗物质候选体;而那些质量相比稍轻的WIMPs粒子,其在空间移动的速度更高,因此被称为是“温”(warm)的暗物质候选体。

暗物质应该也不会是那些因为不发光而难以被望远镜观测发现的低温气体云团。因为尽管自身并不发光,但气体云团会吸收来自远方背景恒星和星系发出的光线并在更长的波段上发出辐射,因此如果暗物质实际上是气体云团的话,我们应该会在红外波段上观测到强烈的信号。但实际上我们并未观测到这样的强烈信号,因此这一可能性也就被排除了。

为了找到这种罕见衰变的证据,日本神冈矿山地下的超级神冈探测器实验的科学家已经耗费了多年时间寻找核子衰变。即使光子的衰变时间需要10的34次方,探测器也应该能够发现少数光子衰变迹象。然而,目前为止超级神冈探测器仍一无所获。

在具体的操作中,有一部分科学家就选择了氙原子核作为被撞对象。氙是54号元素,实验选用的是半衰期最长的同位素——氙124。氙原子核与WIMP的质量是接近的,因此可以“关公战张飞”,而不是“关公战蚂蚁”,这看起来也许是一幕好戏。

搜寻这种粒子的方式之一被称为“直接探测实验法”,比如在美国南达科塔州的一个矿井中正在进行的“大型地下氙实验”(LUX),它使用大量的液氙对这类粒子进行探测。如果科学家们观察到氙原子核出现无法解释的晃动现象,那就很有可能是遭受到了WIMPs粒子的撞击。而氙原子核晃动的幅度则能够让科学家们对WIMPs粒子的质量给出估算。但是到目前为止,LUX实验还尚未得到任何结果。

“弱相互作用大质量粒子”理论是近年来最有希望解释暗物质本质的候选理论之一。WIMPs是质量非常大的粒子,其质量值可以达到质子的10~100倍。它们产生于宇宙大爆炸过程当中,尽管时至今日仅有很少一部分仍然残留下来。这类粒子会与常规物质之间存在引力或弱核力的相互作用。质量较大的WIMPs粒子在空间移动的速度更慢,因而被称作是“冷”的暗物质候选体;而那些质量相比稍轻的WIMPs粒子,其在空间移动的速度更高,因此被称为是“温”的暗物质候选体。

{"type":2,"value":"

当然在质量比较小的暗物质粒子的理论中,比如所谓的轴子质量就在μeV-keV量级,这个就不能去撞氙原子核来做实验了,因为氙原子核对轴子来说太重了,轴子撞上去犹如“蚍蜉撼大树”。

搜寻WIMPs粒子的另一种可能途径则是加速器装置。在加速器内部,原子核以光速相撞,在此过程中产生的巨大能量将会转化为其他类型的粒子,其中一些是科学家们此前从未观测到过的。但到目前为止,粒子加速器并未探测到任何性质上似乎与WIMPs粒子相接近的粒子信号。

搜寻这种粒子的方式之一被称为“直接探测实验法”,比如在美国南达科塔州的一个矿井中正在进行的“大型地下氙实验”,它使用大量的液氙对这类粒子进行探测。如果科学家们观察到氙原子核出现无法解释的晃动现象,那就很有可能是遭受到了WIMPs粒子的撞击。而氙原子核晃动的幅度则能够让科学家们对WIMPs粒子的质量给出估算。但是到目前为止,LUX实验还尚未得到任何结果。

液氙所要探测的,就是WIMP。

不过尽管到目前为止似乎这两种途径都未能获得突破,但库马尔指出,相关实验上取得的进展已经为这种理论上可能存在的暗物质粒子可能的大小和质量设定了限定值。LUX的灵敏度达到200 MeV,这相当于质子质量的1/5左右。理论上它能够观测质量最高达1 TeV的粒子,这已经与某些类型的夸克相接近。由于LUX装置到目前位置仍然没有观测到任何信号,这就意味着在此质量(能量)范围内排除这种理论上存在的暗物质粒子存在的可能性。

搜寻WIMPs粒子的另一种可能途径则是加速器装置。在加速器内部,原子核以光速相撞,在此过程中产生的巨大能量将会转化为其他类型的粒子,其中一些是科学家们此前从未观测到过的。但到目前为止,粒子加速器并未探测到任何性质上似乎与WIMPs粒子相接近的粒子信号。

XENON1T的实验装置位于地下1400米深,内部有一个装有3.2吨液氙的巨形水槽。如果暗物质粒子WIMP存在,它的穿透能力极强,那么WIMP可以穿到地下与水槽中的氙原子核碰撞,这种碰撞会产生独特的发光信号,科学家希望捕捉到这一小概率事件。

库马尔表示,WIMPs粒子的质量有可能会非常大,如果情况的确如此,这就意味着它们的数量不会特别多,因此它们中的单个粒子碰撞氙原子核的概率也就会很低。

不过尽管到目前为止似乎这两种途径都未能获得突破,但库马尔指出,相关实验上取得的进展已经为这种理论上可能存在的暗物质粒子可能的大小和质量设定了限定值。LUX的灵敏度达到200 MeV,这相当于质子质量的1/5左右。理论上它能够观测质量最高达1 TeV的粒子,这已经与某些类型的夸克相接近。由于LUX装置到目前位置仍然没有观测到任何信号,这就意味着在此质量范围内排除这种理论上存在的暗物质粒子存在的可能性。

betway必威官网手机版 13

在理论物理学界还有另外一种针对暗物质粒子的候选理论,也就是所谓的“轴子”(axions)。这些亚原子粒子能够在其发生湮灭反应,或是衰变为其他粒子时使用间接方法探测到,或者通过粒子加速器进行搜寻。但是同样的,到目前为止,科学家们在这种理论粒子的搜寻方面还是一无所获。

库马尔表示,WIMPs粒子的质量有可能会非常大,如果情况的确如此,这就意味着它们的数量不会特别多,因此它们中的单个粒子碰撞氙原子核的概率也就会很低。

XENON1T实验装置内部(图片来源:XENON1T官网)

困难重重

在理论物理学界还有另外一种针对暗物质粒子的候选理论,也就是所谓的“轴子”。这些亚原子粒子能够在其发生湮灭反应,或是衰变为其他粒子时使用间接方法探测到,或者通过粒子加速器进行搜寻。但是同样的,到目前为止,科学家们在这种理论粒子的搜寻方面还是一无所获。

液氙意外衰变

由于对大质量,缓慢移动的“冷”候选粒子的探测,比如WIMPs或轴子的探测迟迟未能获得进展,一些科学家开始设法寻找那些更轻、移动速度也更快的粒子,也就是科学家们所称“温”的暗物质粒子。而在科学家们利用钱德拉塞卡X射线空间望远镜在英仙座星系团内发现一种全新未知粒子的迹象之后,科学界对于这一暗物质模型的兴趣被重新点燃了。英仙座星系团是一个巨大的天体集群,距离地球大约2.5亿光年。该星系团会发出特定波长的X射线辐射,但是在2014年,科学界们检测到一种不同波长的辐射,其背后可能对应一种此前未知的轻质量粒子。

由于对大质量,缓慢移动的“冷”候选粒子的探测,比如WIMPs或轴子的探测迟迟未能获得进展,一些科学家开始设法寻找那些更轻、移动速度也更快的粒子,也就是科学家们所称“温”的暗物质粒子。而在科学家们利用钱德拉塞卡X射线空间望远镜在英仙座星系团内发现一种全新未知粒子的迹象之后,科学界对于这一暗物质模型的兴趣被重新点燃了。英仙座星系团是一个巨大的天体集群,距离地球大约2.5亿光年。该星系团会发出特定波长的X射线辐射,但是在2014年,科学界们检测到一种不同波长的辐射,其背后可能对应一种此前未知的轻质量粒子。

本来科学家认为,液氙是非常稳定的,它就好像守株待兔这个故事里的“株”静静等待暗物质粒子这个“兔”来撞击它。

美国麻省理工学院的物理学家特雷西·斯拉特尔(Tracy Slatyer)表示,如果暗物质粒子的质量是小的,那么科学家们要想实现对它们的直接探测将会困难重重。斯拉特尔认为,组成暗物质的可能是一类全新的粒子。他说:“如果暗物质粒子的质量低于1 GeV,那么运用传统实验方法想要进行直接探测将会非常困难,因为其探测原理是观察原子核出现的无法解释的晃动信号,但如果暗物质粒子的质量远小于受到撞击的原子核质量的话,那么这样的晃动信号将会非常微弱。”质子,也就是氢原子的原子核,其质量不会小于938 MeV,因此一个质量仅有KeV量级的粒子,其质量值就比质子小了1000倍。斯拉特尔表示:“想象一下让一个乒乓球去撞击一个保龄球,你会发现保龄球根本就不会动,这其中的道理是一样的。”

美国麻省理工学院的物理学家特雷西:斯拉特尔(Tracy Slatyer)表示,如果暗物质粒子的质量是小的,那么科学家们要想实现对它们的直接探测将会困难重重。斯拉特尔认为,组成暗物质的可能是一类全新的粒子。他说:“如果暗物质粒子的质量低于1 GeV,那么运用传统实验方法想要进行直接探测将会非常困难,因为其探测原理是观察原子核出现的无法解释的晃动信号,但如果暗物质粒子的质量远小于受到撞击的原子核质量的话,那么这样的晃动信号将会非常微弱。”质子,也就是氢原子的原子核,其质量不会小于938 MeV,因此一个质量仅有KeV量级的粒子,其质量值就比质子小了1000倍。斯拉特尔表示:“想象一下让一个乒乓球去撞击一个保龄球,你会发现保龄球根本就不会动,这其中的道理是一样的。”

但是,意外发生了。

斯拉特尔表示,当前学界有很多的探讨,关于如果目前搜寻暗物质的各种方法最后归于失败,那时候该怎么做?他们已经提出了各种各样的初步设想,从利用液氦的超流体性质,到半导体技术,再到利用晶体中化学键的性质,不一而足。

斯拉特尔表示,当前学界有很多的探讨,关于如果目前搜寻暗物质的各种方法最后归于失败,那时候该怎么做?他们已经提出了各种各样的初步设想,从利用液氦的超流体性质,到半导体技术,再到利用晶体中化学键的性质,不一而足。

最近,在XENON1T合作组的科学家发现,兔子没等到,株却变了。

库马尔表示,暗物质之所以显得如此神秘,其中一个很重要的原因就在于科学家们认为他们了解,至少在一定程度上了解宇宙大爆炸时期的核合成过程,也就是宇宙中物质产生的机制。此前成功预言了希格斯-玻色子存在的粒子物理学标准模型到目前未知一直都十分成功,因此除非所有人都犯了某种根本性错误,否则很难解释为何到目前为止全世界仍然没有能够探测到暗物质粒子。

库马尔表示,暗物质之所以显得如此神秘,其中一个很重要的原因就在于科学家们认为他们了解,至少在一定程度上了解宇宙大爆炸时期的核合成过程,也就是宇宙中物质产生的机制。此前成功预言了希格斯-玻色子存在的粒子物理学标准模型到目前未知一直都十分成功,因此除非所有人都犯了某种根本性错误,否则很难解释为何到目前为止全世界仍然没有能够探测到暗物质粒子。

在本周发表在《自然》杂志上的一篇论文中,XENON1T的研究人员宣布观察到氙124的放射性衰变。氙124变成了碲124,原子序数从54号元素变成了52号元素。

举例而言,如果暗物质粒子与现有模型预测的结果非常不同,那么一种可能便是我们的加速器将很难探测到它们的存在。类似大型强子对撞机(LHC)这样的装置更擅长搜寻具有强核力相互作用的物质,因为它们会衰变成为其他类型的粒子。如果暗物质粒子也具有类似性质,那么像大型强子对撞机这样的设备就有希望能够找到它的踪迹,但如果不是这样,那么情况就会完全不同了。(晨风/新浪科技)

举例而言,如果暗物质粒子与现有模型预测的结果非常不同,那么一种可能便是我们的加速器将很难探测到它们的存在。类似大型强子对撞机这样的装置更擅长搜寻具有强核力相互作用的物质,因为它们会衰变成为其他类型的粒子。如果暗物质粒子也具有类似性质,那么像大型强子对撞机这样的设备就有希望能够找到它的踪迹,但如果不是这样,那么情况就会完全不同了。

这事情是怎么发生呢?简单地说就是一个“电子俘获”过程。

特别声明:本文转载仅仅是出于传播信息的需要,并不意味着代表本网站观点或证实其内容的真实性;如其他媒体、网站或个人从本网站转载使用,须保留本网站注明的“来源”,并自负版权等法律责任;作者如果不希望被转载或者联系转载稿费等事宜,请与我们接洽。

电子俘获在白矮星与中子星形成过程中非常常见,因为强引力的作用,原子核会俘获电子,然后放出中微子。但是,在正常的环境下,如果没有强大的引力加持,那么原子核自发地俘获电子的概率很低——我们也可以用反证法来看这个事情,如果这个概率很高,那么我们人类就不会存在。人体的大部分是水,如果水分子里的氢原子核自发俘获核外电子,那么就会变成中子。水分子里的氧原子核如果自发俘获电子,那么就会变成在元素周期表上相邻的氮或者碳。我们人类就会被“中子化”或者“碳化”。

所以,自发俘获电子,对液氙的原子核来说,也只是小概率事件。氙124的半衰期为1.8x1022年。

不过,最近科学家发现了液氙原子核俘获电子后发生衰变的现象。

中微子性质之谜

XENON1T实验组的液氙一口气居然俘获了两个电子。

这事情就大了。

我们知道,原子核是带正电的,当它突然吸收两个电子以后,原子核内的质子与电子会结合形成中子。这个过程发生以后,学术界有两种看法。

betway必威官网手机版,第一种看法认为原子核既然吃进两个电子,它应该放出两个中微子。这叫做“双中微子双电子俘获”。

另外一种看法认为,原子核吃了两个电子,但不会发出中微子,这叫做“无中微子双电子俘获”。

betway必威官网手机版 14

2νECEC过程示意图(图片来源:XENON1T官网)

其中第一个看法是支持粒子物理的标准模型的,而第二个看法则是违反粒子物理标准模型的,这说明中微子是马约拉纳粒子——也就是说中微子的反粒子就是它自己。

张佳骏说:“XENON1T实验组的条件还是比较有限的,他们虽然没有条件探测到中微子,但他们有很多光电倍增管,可以探测到这个过程中的X射线与俄歇电子激发的光信号。从光信号的能量分析来看,他们支持的是第一种看法,也就是说他们认为已经有中微子释放出去了。”

从物理图像上来看,只有当两个电子恰好在正确的时间同时紧靠原子核时,才会发生双电子俘获,这是“一种罕见的现象再乘以另一种罕见的现象,使它最后变得极端罕见”。从费曼图的角度来说,两个中微子双电子俘获是一个二阶弱相互作用过程,其概率极小,如果不是要大量的液氙,观测到这种现象的时间远超宇宙的年龄。

到目前为止,只有两种同位素氪78和钡130出现了2νECEC衰变的迹象。而这个液氙实验说明,氙原子核也可以发生2νECEC衰变。

张佳骏表示,这次事件能确认氙发生了2νECEC衰变,不过目前还不能排除中微子是马约拉纳粒子的可能性:“不管中微子是不是马约拉纳的,2vECEC都是可以发生的;但只有当中微子是马约拉纳粒子时,才有可能发生0vECEC。因此,只有等待更强大的探测技术出现,才有可能给出定论。”

这次实验是一个意外,因为液氙的实验本来不是为了探测中微子设计的,但在暗物质粒子WIMPS没被找到的情况下,却意外发现了液氙发生了2νECEC,这给大家一个启发:在实验中增加中微子的探测装置,这或许不但能检验中微子到底是不是马约拉纳粒子,还可能测量出中微子的绝对质量。

原始论文:

星辰大海自助套餐

在微信搜索漫步宇宙【qqtaikong】并关注,然后

1、回复“英仙座”可以看到2018年8月英仙座流星雨合集,近百颗流星与你一期一会。

2、回复“日偏食”可以看到2018年8月日偏食全程实录

3、回复“火星大冲”可以看到15年一遇的2018年火星大冲实录

4、回复“月全食”可以看到本世纪最长血月月食实录

你可能还想看

本文由betway必威官网手机版发布于科学知识,转载请注明出处:盘点地壳深处五大神秘粒子,引力效应告诉我们

关键词:

上一篇:得那么精确,星星之死

下一篇:没有了