一个“异常现象”正促使物理学家寻找轻暗物质

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• ?氙气1t探测器，其低温恒温器安装在一个大的水盾的中心，以保护仪器免受宇宙射线的背景。这种设置使从事XENON1T实验的科学家能够大大降低他们的背景噪声，并更有信心地从他们试图研究的过程中发现信号。氙不仅在寻找重的、类似微小粒子的暗物质，还在寻找其他形式的潜在暗物质，包括像暗光子和轴向粒子这样的光。
  

有时候，你遇到的难题的答案就在你已经看过的地方。只是，除非你开发出比以前更精确的的搜工具，否则你将无法找到它。从发现新粒子到揭示诸如放射性、引力波、暗物质和暗能量等现象，这一现象在科学领域已经上演了许多次。
几十年来，我们一直在寻找标准模型无法预测的新粒子，通过各种各样的实验，从加速器到地下实验室，再到日常粒子罕见的奇异衰变。尽管进行了几十年的研究，仍没有发现任何超出标准模型的粒子。但最近，研究人员开始考虑轻暗物质，尽管他们已经在预期范围内进行了研究。我们必须看起来更好，一个无法解释的实验结果就是原因。

• ?当将任意两个粒子碰撞在一起时，会探测粒子碰撞的内部结构。如果其中一个不是基本粒子，而是一个复合粒子，这些实验可以揭示它的内部结构。然而，也有许多平凡的贡献可以得到类似的结果。这个特殊的假设场景将在锗、液态氙和液态氩探测器中创建一个可观察到的信号。
  

确定一个科学难题——一个无法用传统方法解释的现象或观察——往往是导致科学革命的起点。例如，如果重元素是由较轻的元素合成而成，那么你必须有一个可行的途径来自然构建我们今天看到的重元素。如果你最好的理论不能解释为什么碳存在，但是我们观察到碳的存在，这对科学研究来说是一个很好的谜题。
通常，谜题本身为解决问题提供了可能的线索。不存在静止的、振荡的同相电场和磁场的事实导致了狭义相对论。如果没有在放射性衰变中神秘地观测到丢失的能量，我们就不会预测到中微子。

• ?将自旋为+3/2的上夸克、下夸克、奇夸克和底夸克以不同的方式组合在一起，得到如下“重子谱”，即20个复合粒子的集合。Ω-粒子，金字塔的最初级阶段，第一个预测了穆雷盖尔的夸克理论应用到之前所知的结构粒子和推断的存在丢失的碎片。
  

就碳的存在之谜而言，随着时间的推移，情况只会变得更加有趣。早在20世纪50年代，科学家弗雷德·霍伊尔、杰弗里·伯比奇和玛格丽特·伯比奇就在试图理解元素周期表中较重的元素是如何形成的，如果一开始的元素都是最轻的元素。
假设太阳是由轻元素核聚变释放出的能量驱动的，霍伊尔可以解释从原始氢原子核(质子)合成氘、氚、氦-3和氦-4的过程，但无法找到生成碳的方法。你不能在氦-4中加入质子或中子，因为氦-5和锂-5都是不稳定的，它们会在10-22秒后衰变。你不能把两个氦-4原子核加在一起，因为铍-8太不稳定了，在~10-16秒后衰变。

• ?发生在恒星中的三重阿尔法过程，是我们在宇宙中产生碳元素和更重元素的方式，但它需要第三个氦-4核与Be-8相互作用，而Be-8才会衰变。否则，Be-8会回到两个氦-4核。
  

但是霍伊尔有一个绝妙的解决办法。如果一个密度足够大的环境能够在足够快的时间尺度上产生铍-8，那么第三个原子核——另一个氦-4——就有可能在铍衰变之前到达那里。从数学上讲，这将产生碳-12，允许碳在合适的条件下存在。
不幸的是，我们知道碳-12原子核的质量，它的质量和氦-4 +铍-8的质量不匹配。除非我们对核物理的理解是错误的，否则这个反应不能解释我们今天看到的碳。但霍伊尔的解决方案很高明，他假设存在另一种迄今未被发现的可能性，碳-12的共振态可能存在，而且质量确实合适。

• ?加州理工学院凯洛格辐射实验室的威利·福勒证实了霍伊尔态和三阿尔法过程的存在。
  

然后，它会衰变成我们今天看到的碳-12。这个核过程，即三阿尔法过程，现在已知发生在红巨星内部，具有共振状态的碳-12现在被称为霍伊尔状态，正如核物理学家威利·福勒在20世纪50年代晚些时候证实的那样。碳的存在，以及如何利用已知的物理原理和已有的成分创造碳的难题，导致了这一惊人的发现。
那么，或许类似的推理方法可以解决物理学家目前面临的最大难题？
这无疑值得一试。我们都知道这些大难题包括暗物质、暗能量、宇宙中物质/反物质不对称的起源、中微子质量的起源以及普朗克尺度与已知粒子实际质量之间令人难以置信的差异。

• ?标准模型中夸克和轻子的质量。最重的标准模型粒子是顶夸克，最轻的非中微子是电子，它的质量是511 kev/c^2。中微子本身至少比电子轻400万倍，比所有其他粒子之间存在的差别还要大。一直到尺度的另一端，普朗克尺度徘徊在10^19 GeV。我们不知道有任何粒子比顶夸克重，也不知道为什么这些粒子有它们所具有的质量值。
  

另一方面，从测量和观察中得到的线索表明，我们目前对宇宙的了解可能并不完全如此。其中大多数还没有达到5-sigma阈值。

• 介子的测量磁矩与理论预测的3.6-sigma张力不相符。
  
• AMS实验发现正电子过多，能量截止值为4.0 sigma置信度。
  
• 测量哈勃膨胀率的不同方法之间的张力已经上升到4.4-sigma的差异。
  

但几年前，有一项实验突破了这个门槛：一项旨在测量铍-8这种短命状态衰变的实验。铍-8是在宇宙中生成碳所必需的。它与我们令人印象深刻的6.8 sigma的传统预测不一致，被称为Atomki异常。

• ?加速器模型位于匈牙利科学院核研究所的入口处，用于轰击锂并制造实验中使用的Be-8，该模型首次显示出粒子衰变方面的意外差异。
  

当创造出一个像铍-8这样的粒子时，完全预料到它会衰变回两个氦-4原子核，而它们的质心没有优先方向。在实验室环境中，将两个氦-4原子核聚变是不现实的，但是将锂-7与一个质子聚变在生成铍-8方面将做得同样好，但有一个例外：它将在激发态下生成铍-8原子核。
正如霍伊尔态的碳是激发态，它需要发射一个高能(伽马射线)光子之前下降到基态。被激发的铍-8必须在衰变为两个氦-4原子核之前发射出一个高能光子，这个光子的能量足够大，有可能自发地产生一个电子/正电子对。电子和正电子之间的相对角度，假设做一个探测器来追踪这些轨迹，就会告诉你发射光子的能量是多少。

• ?云室中不稳定粒子的衰变轨迹，使我们能够重建原始反应物。在侧面的“V”形轨道之间的开口角度将告诉你衰变进入它们的粒子的能量。
  

你会完全预料到光子会有一个可预测的能量分布，因此在电子和正电子之间的开角会有一个平滑的分布。你会完全预料到一个特定角度的最大事件数，然后你离那个角度越远，事件率就会越低。
除了从2015年开始,一位匈牙利阿提拉领导的研究小组发现了一个惊喜：作为电子和正电子之间的角变大，事件的数量减少，直到大约140角分离，他们观察到一个令人惊讶的事件的数量增加。也许这是一个实验错误；可能是分析错误；或者，也许结果是可靠的，这是一条线索，也许能帮助我们解开物理学中一个深奥的谜。

• ?这里原始数据中过量的信号显示了现在被称为原子异常的潜在新发现。虽然看起来差别不大，但这是一个令人难以置信的统计上显著的结果，并导致了一系列新的粒子搜索，大约17 MeV/c^2。
  

如果结果是可靠的，一种可能的解释是存在一种新的粒子，其特定质量约为0.017 GeV/c^2。这个粒子将比电子和所有中微子都要重，但比迄今为止发现的所有其他质量大的基本粒子都要轻。人们提出了许多不同的理论场景来解释这种测量，并设计了各种寻找实验签名的方法。
当你听说寻找一个暗光子，一个光矢量玻色子，一个原始粒子，或者一个新的力携带粒子，第五力的实验时，他们都在寻找可以解释这种原子异常的变异。不仅如此，他们中的许多人还试图用这种粒子解决一个大难题:暗物质难题。向月球射击没有害处，但是每一次测量都遇到同样的失望:没有结果。

• ?氙合作的自旋相关和自旋无关的结果表明，没有任何证据表明存在任何质量的新粒子，包括符合原子基异常的轻暗物质假说。
  

如果没有原子基异常令人费解的性质，就没有动力对这些能量下的暗物质感兴趣。电子-正电子对撞机的结果应该在很久以前就能看到这种能量，但没有证据表明存在一种新粒子。只有通过人为设计的场景，即明确设计用来解释原子基异常和规避现有约束的场景，我们才能构造出这些轻暗物质场景。
尽管如此，这就是线索所在，所以这是我们正在寻找的地方之一。这里有一个很大的警告，在科学上，我们有一种倾向，在我们积极寻找的地方找到我们正在寻找的粒子，不管它们是否真的存在。关于这个异常现象是否像它被夸大的那样好，目前还没有定论，但在我们有一个可靠的解释之前，我们必须保持开放的心态，并在数据告诉我们新物理学可能合理存在的任何地方寻找答案。尽管结果为空，搜索仍在继续。


本文选自：今日头条

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暗物质应是极低温的无正能量的环境中衍生，极致的低温是否是暗能量与正能量的聚变原理。个人理解，无明物质环境中的极致低温环境，是否能探测暗物质的影踪，也许探测环境和探测仪器元素的影响而限定暗物质的性质。

傲雪风

我说实话，到现在我不信有暗物质。

rt45rti

暗物质是人吸收的，武器照样可以吸收