最终揭开暗物质神秘面纱的，或许是这种奇异“准粒子”

redfree

宇宙中大约80%的物质是目前物理学完全不知道的一种形式，我们称它为暗物质，因为就我们所知，它是…“黑暗”的，世界各地的实验都在试图捕捉一种游离的暗物质粒子，希望能够了解它，但到目前为止，这些实验都一无所获。现在，一组理论家提出了一种新方法，用一种叫做马约拉纳费米子的奇怪“准粒子”来寻找暗物质。
暗物质之谜

理论物理学家表示，这些微小涟漪甚至可以吸引一个稍纵即逝的轻量级暗物质粒子脱离隐藏。人们对暗物质有各种各样的了解，但引人注目的是它是什么。尽管目前不能直接探测到暗物质，但只要我们打开望远镜，看到更广阔的宇宙，就能看到暗物质存在的证据。早在20世纪30年代，第一个发现就来自于对星系团的观察，星系团是宇宙中一些最大的系统结构。本来这些星系移动得太快，无法形成一个星系团。

这是因为星系的总质量提供了引力粘合剂，使星系团保持在一起——质量越大，这种粘合剂就越强。一种超强的胶水可以把速度最快的星系粘在一起。速度再快，星团就会分崩离析。但在那里，星系团已经存在了，星系在星系团内部嗡嗡作响的速度远远超过了星系团质量所能提供的引力束缚。有一种物质具有足够的引力将星系团聚集在一起，但这种物质不发光，也不与光发生相互作用。

这个谜题几十年来一直没有解开，到了20世纪70年代，天文学家维拉·鲁宾(Vera Rubin)通过观察星系内的恒星，在很大程度上加大了赌注。再一次，事情发展得太快了：考虑到观测到的质量，我们宇宙中的星系应该在数十亿年前就已经分裂了，有什么东西把他们拉在一起，是看不见的东西。这个故事在整个宇宙中不断重复，无论是在时间上还是在空间上。从宇宙大爆炸中最早的光到宇宙中最大的结构，某种时髦的东西就在那里。
在黑暗中寻找

（此处已添加圈子卡片，请到今日头条客户端查看）

所以暗物质就在那里——我们只是找不到任何其他可行的假说来解释支持暗物质存在的数据海啸。但这是什么呢？最好的猜测是：暗物质是一种新的、奇异粒子，迄今为止物理学还不知道。在这幅图中，暗物质淹没了每个星系。事实上，通过恒星、气体云和尘埃所能看到的星系的可见部分，只是一座小灯塔，与更大、更暗的海岸相对。每个星系都位于一个由无数暗物质粒子组成的巨大“光环”中，这些暗物质粒子正在穿过你的房间，从你身上流过。

一场永不停歇的雨，由微小、看不见的暗物质粒子组成。但你根本没有注意到它们。它们不与光或带电粒子相互作用。因为你是由带电粒子组成，你对光很友好；但你对暗物质是看不见的，暗物质对你也是看不见的。我们能“看到”暗物质的唯一方式是通过引力；万有引力注意到宇宙中每一种物质和能量的形式，无论是否黑暗，所以在最大的尺度上，观察到所有这些无数粒子综合质量的影响，但在你房间里，什么都没有。

除非，有其他方式暗物质与我们正常物质相互作用。暗物质粒子，不管它是什么，也有可能感受到微弱的核力（这是造成放射性衰变的原因）打开了一扇通往这个隐秘领域的新窗户。想象一下建造一个巨大的探测器，只是一个大质量的任何元素。暗物质粒子穿过它，几乎所有的粒子都完全无害。但有时，经过的粒子会通过弱核力与探测器中元素的一个原子核相互作用，撞出原来的位置，使探测器的整个质量抖动，这取决于暗物质的特定模型，这种情况很少见。
马约拉纳费米子

这种实验装置只有在暗物质粒子相对较重的情况下才会起作用，因为暗物质粒子具有足够的吸引力，足以在一种罕见的相互作用中击穿原子核。但是到目前为止，即使是在多年的搜寻之后，全球所有暗物质探测器都没有发现任何相互作用的痕迹。随着实验的深入，暗物质可容许性质逐渐被排除了。这并不一定是件坏事，因为根本不知道暗物质是由什么构成，所以对它的了解越多，就越清楚它可能是什么。

但结果的缺乏可能有点令人担忧，暗物质中最重的候选者被排除在外，如果这个神秘的粒子太轻，它将永远不会在探测器中被发现。也就是说，除非有另一种方式让暗物质和普通物质对话。在新发表的一项研究中，物理学家们详细介绍了一项拟议的实验装置，该装置可以发现正在改变电子自旋的暗物质粒子(如果暗物质真能做到这一点的话)。

在这种情况下，即使可疑粒子很轻，暗物质也有可能被探测到。它可以通过在材料中创建所谓的马约拉纳费米子来做到这一点。假设你有一大块材料在绝对零度的温度下，所有的自旋（就像微小的条形磁铁）都指向同一个方向。当慢慢地升高温度，一些电子就会醒来，四处摆动，随机地把它们的自旋指向相反方向。温度升高得越高，翻转过来的电子就越多——每一次翻转都会稍微降低磁场强度。

每一个翻转的自旋也会在物质能量中引起一个小的波纹，这些摆动可以被看作是准粒子，而不是真实的粒子，但你可以用这种方式用数学来描述。这些准粒子被称为“马约拉纳费米子”，可能是因为它们就像可爱的小磁铁。所以如果你从一个非常冷的物质开始，足够多的暗物质粒子撞击这个物质并使其旋转，就会观察到马约拉纳费米子，由于实验的敏感性和相互作用性质，该装置可以检测到轻量的暗物质粒子，也就是说，如果它存在的话。


本文选自：今日头条

fvhPHALo

我写了一篇《暗物质略论》，约6000字。已于2017年l0月在头条上发布。论証了暗物质的存在、特点、以及寻找到暗物质的方法等，欲知祥情，请查阅。