暗物质如何与普通物质相互作用？

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概要：科学家对暗物质如何与普通物质相互作用施加了条件。在寻找暗物质的直接检测中，实验焦点一直是WIMP，或弱相互作用的大质量粒子，假设的粒子被认为构成了暗物质。但研究小组引用了一种不同的理论来挑战WIMP范式：自相互作用的暗物质模型，或SIDM。

图为PandaX，一种基于氙气的中国探测器。图片来源：PandaX。

包括加州大学河滨分校物理学家Hai-Bo Yu在内的国际科学家团队对暗物质如何与普通物质相互作用施加了条件 - 这些约束可以帮助识别难以捉摸的暗物质粒子并在地球上探测到它。

暗物质 - 太空中的非发光物质 - 被认为构成了宇宙中85％的物质。与普通物质不同，它不会吸收，反射或发光，因此难以检测。

物理学家确定暗物质存在，从暗物质对可见物质的引力作用推断出这种存在。他们不太确定的是暗物质如何与普通物质相互作用 - 或者即使它是如此。

在寻找暗物质的直接检测中，实验焦点一直是WIMP，或弱相互作用的大质量粒子，假设的粒子被认为构成了暗物质。

但是，Yu的国际研究小组引用了一种不同的理论来挑战WIMP范式：自相互作用的暗物质模型，或SIDM，一个充满动力的框架，可以解释在银河旋转曲线中观察到的全方位多样性。SIDM于2000年首次由一对杰出的天体物理学家提出，自2009年左右以来，它在粒子物理学和天体物理学界都重新获得了普及，部分原因是Yu和他的合作者所做的工作。

UCR物理与天文系理论家Yu和中国上海交通大学实验家Yong Yang共同领导团队分析和解释2016年和2017年收集的最新数据PandaX-II，一个氙气中国的暗物质直接探测实验（PandaX指的是粒子和天体物理氙探测器; PandaX-II指的是实验）。如果暗物质粒子与PandaX-II的液化氙碰撞，结果将是两个同时发出的信号：一个是光子而另一个是电子。

Yu解释说，PandaX-II假设暗物质“正常物质 - 与质子和中子相互作用” - 通过引力相互作用以外的方式（只是引力相互作用是不够的）。然后研究人员搜索识别这种相互作用的信号。此外，PandaX-II合作假设“介体粒子”介导暗物质和正常物质之间的相互作用，其质量远远小于WIMP范例中的介体粒子。

“WIMP范例假设这个中介粒子非常重 - 质子质量的100到1000倍 - 或暗物质粒子的质量，”Yu说。“这种模式在该领域占据了30多年的主导地位。然而，在天体物理观测中，我们并没有看到它的所有预测。另一方面，SIDM模型假设中介粒子的质量约为其质量的0.001倍。暗物质粒子，从矮星系到星系团的天体物理观测推断出来。正如我们在早期的理论论文中所建议的那样，这种光介质的存在可能导致SIDM在暗物质直接探测中的吸烟签名。现在，我们相信PandaX-II是世界上最敏感的直接检测实验之一，可以在检测到暗物质粒子时验证SIDM模型。

国际研究小组7月12日在“ 物理评论快报 ”上报道了暗物质与可见物质之间的相互作用强度与光介质的最强限制。该期刊选择了研究论文作为一个重点，一个重要的荣誉。

“这是一种用于理解暗物质天体物理特性的理论的粒子物理约束，”UCR的暗物质专家Flip Tanedo说，他没有参与这项研究。“这项研究强调了寻找暗物质所需的非常不同的实验的互补方式。它还说明了为什么理论物理在这些不同类型的搜索之间起着关键作用。俞海波及其同事的研究解释了这一点。一个框架方面的新实验数据，可以很容易地连接到其他类型的实验，特别是天体物理观测，以及更广泛的理论。“

PandaX-II位于四川省中国锦屏地下实验室，那里有大量的熊猫。该实验室是世界上最深的地下实验室。在进行分析时，PandaX-II生成了最大的暗物质检测数据集。作为世界上仅有的三种基于氙的暗物质直接探测实验之一，PandaX-II是寻找极其罕见事件的前沿设施之一，科学家们希望观察到暗物质粒子与普通物质相互作用，从而更好地理解基本物质暗物质的粒子特性。

粒子物理学家试图了解暗物质还没有为实验室中的暗物质提供明确的证据。

“暗物质粒子与普通物质相互作用的发现是现代物理学的圣杯之一，也是理解暗物质基本粒子特性的最佳希望，”Tanedo说。

在过去的十年中，世界SIDM专家Yu曾通过寻找从天体物理数据中了解暗物质粒子特性的方法，致力于桥接粒子物理学和宇宙学。他和他的合作者发现了一类具有新黑暗力量的暗物质理论，可以解释从矮星系到星系团的各种系统中出现的意外特征。更重要的是，这个新的SIDM框架可以作为粒子物理学家将天文数据转换为暗物质模型的粒子物理参数的拐杖。通过这种方式，SIDM框架是两个不同科学团体的翻译者，可以了解彼此的结果。

现在，通过PandaX-II实验合作，Yu已经展示了如何在PandaX-II实验中区分自相互作用的暗物质理论。

“在这项工作之前，这些类型的基于实验室的暗物质实验主要集中在没有自我相互作用的暗物质候选物上，”Tanedo说。“这项工作表明黑暗势力如何影响暗物质的实验室信号。”

Yu指出，这是实验合作报告的SIDM的第一个直接检测结果。

“随着更多的数据，我们将继续探讨暗物质与光介质的相互作用以及暗物质的自相互作用性质，”他说。

本文选自：今日头条