为什么寻找暗物质的试验是毫无意义的

TejUKCJa

• ?氙气探测器，安装在一个大的水盾的中心，以保护仪器免受宇宙射线的辐射。这种设置使从事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。
  

假设你知道我们的物理现实和我们现在对它的概念有什么不同。也许你认为存在额外的粒子或相互作用，而这可能是当今自然科学面临的一些最大难题的答案。你会怎么做?你制定一个假设，然后你试着梳理出可观察的，可测量的结果是什么。
其中一些结果将与模型无关，这意味着无论某个特定模型是否正确，都会有鲜明的特征。另一些则极度依赖于模型，创造出在某些模型中出现、而在其他模型中没有出现的实验性或观察性特征。每当暗物质实验结果为空时，它只测试与模型相关的假设，而不是与模型无关的假设。这就是为什么这对暗物质的存在没有任何意义。

• ?当将任何两个粒子碰撞在一起时，将探测粒子碰撞的内部结构。如果其中一个不是基本的，而是一个复合粒子，这些实验可以揭示其内部结构。这里，设计实验来测量暗物质/核子散射信号。这种特殊信号将出现在锗，液体XENON和液体ARGON探测器中。
  

你不能因为尝试不可能的事而对团队生气，希望大自然能够合作。一些有史以来最着名的发现都归功于仅仅是偶然性，所以如果我们能以低成本测试一些具有疯狂高回报的东西，我们倾向于选择它。信不信由你，这是推动直接搜索暗物质的心态。
然而，为了理解我们如何找到暗物质，你必须先了解我们所知道的全部内容。这是模型独立的证据，我们必须指导我们直接检测的可能性。当然，我们尚未以与另一颗粒相互作用的形式直接发现暗物质，但这没关系。间接证据都表明它必须是真实的。

• ?标准模型的粒子和反粒子现在都被直接检测到了，希格斯玻色子在本十年早些时候落入大型强子对撞机。所有这些粒子都可以在LHC能量下产生，并且粒子的质量导致基本常数，这对于完全描述它们是绝对必要的。这些粒子可以通过标准模型所依据的量子场理论的物理学来很好地描述，但它们并不像暗物质那样描述一切。
  

这一切都始于一个想法的萌芽。我们可以从无可争议的基础开始：宇宙由构成我们的身体，我们的星球和我们所熟悉的所有物质的所有质子，中子和电子以及一些光子（光，辐射等）组成。在那里扔了很好的措施。
质子和中子可以被分解成更基本的粒子 - 夸克和胶子 - 以及其他标准模型粒子，构成宇宙中所有已知的物质。暗物质的一个重要思想是，除了这些已知的粒子之外还有一些东西可以显着地影响宇宙中的物质总量。这是一个革命性的假设，可能看起来像是一次非凡的飞跃。
它的概念可能迫使你问，“为什么我们会这么想？”
通过观察宇宙本身来获得动力。科学已经教会了我们很多关于遥远的宇宙中的东西，其中大部分是完全无可争议的。例如，我们知道恒星是如何工作的，而且我们对引力的工作方式有着令人难以置信的理解。如果我们观察星系，星系团并一直到宇宙中最大规模的结构，我们可以很好地推断出两件事。

• 每个级别的这些结构有多少质量。我们看一下这些物体的运动，我们看看管理轨道物体的引力规则，是否有约束物，它是如何旋转的，结构是如何形成的等等，我们得到一个关于物质有多少的数字。
  
• 这些结构中包含的恒星中存在多少质量。我们知道恒星是如何工作的，所以只要我们可以测量来自这些物体的星光，我们就可以知道恒星有多少质量。
  

• ?在昏迷星团中心的两个明亮的大型星系，NGC 4889（左）和略小的NGC 4874（右），每个超过100万光年。但是周围的星系如此快速地拉开，指向整个星团中存在大的暗物质晕。单独的正常物质的质量不足以解释这种结合的结构。
  

这两个数字不匹配，我们为它们获得的值之间的不匹配在数量上是惊人的：它们错过了大约50倍。必须有一些东西不仅仅是恒星对宇宙中绝大多数质量的贡献。对于各种尺寸的星系中的恒星，直到宇宙中最大的星系团，以及整个宇宙网，都是如此。
这是一个很大的暗示，不仅仅是明星正在发生的事情，但你可能不相信这需要一种新的问题。如果这就是我们所有的工作，科学家们也不会相信！幸运的是，有一大堆观察结果 - 当我们将它们全部放在一起时 - 迫使我们将暗物质假设视为非常难以避免。

• ?通过大爆炸核合成预测的氦-4，氘，氦-3和锂-7的预测丰度，观察显示在红色圆圈中。宇宙中含有75-76％的氢，24-25％的氦，少量的氘和氦-3，以及痕量的锂。在氚和铍衰变之后，这就是我们留下的东西，并且在恒星形成之前它保持不变。只有大约1/6的宇宙物质可以是这种正常（重子或原子状）物质的形式。
  

当我们将物理定律一直推断到宇宙中的最早时期时，我们发现，当宇宙足够热以至于中性原子无法形成时，不仅有这么早的时间，而且有一段时间甚至原子核都无法形成！当它们最终形成而不立即被爆炸分开时，那个阶段就是最轻微的原子核，包括氢和氦的不同同位素，来源于此。
大爆炸之后宇宙中第一个元素的形成 - 由于大爆炸核合成 - 告诉我们非常非常小的错误宇宙中存在多少“正常物质”。虽然星星的数量明显多于恒星，但它只有我们所知的物质总量的六分之一来自引力效应。不仅是星星，而且一般的正常物质是不够的。

• ?宇宙微波背景的波动首先由COBE在20世纪90年代精确测量，然后更准确地由2000年代的WMAP和2010年的普朗克（上图）测量。该图像编码有关早期宇宙的大量信息，包括其构成，年龄和历史。波动幅度仅为数十至数百微克朗，但明确指出正常物质和暗物质的比例为1：5。
  

暗物质的另外证据来自于宇宙中的另一个早期信号：当中性原子形成并且宇宙大爆炸的剩余辉光可以通过宇宙无阻碍地行进。它非常接近均匀的辐射背景，仅比绝对零度高几度。但是当我们观察微克尔万尺度和小角度（<1°）尺度上的温度时，我们发现它根本不均匀。
宇宙微波背景的波动特别有趣。它们告诉我们宇宙的哪一部分是正常的（质子+中子+电子）物质，辐射中的分数是多少，非正常物质或暗物质中的分数是多少。同样，他们给我们相同的比例：暗物质约占宇宙中所有物质的五分之六。

• ?在大尺度上观察到重子声振荡的大小，表明宇宙主要由暗物质组成，只有一小部分正常物质在上图中引起这些“摆动”。
  

最后，在伟大的宇宙网络中发现了无可辩驳的证据。当我们以最大的尺度观察宇宙时，我们知道在大爆炸的背景下引力是造成物质聚集和聚集在一起的原因。基于最初的波动，开始时是过度破裂和低密度区域，引力（以及不同类型的物质彼此之间的相互作用和辐射）决定了我们在整个宇宙历史中将会看到的东西。
这一点尤为重要，因为我们不仅可以在上图中看到摆动幅度中正常与暗物质的比例，而且我们可以看出暗物质是冷的，或者甚至在低于某一速度时也是如此。宇宙很年轻。这些知识可以带来出色，精确的理论预测。

• ?根据模型和模拟，所有星系都应嵌入暗物质晕，其密度在银河系中心达到峰值。在足够长的时间尺度（可能是十亿年）中，来自光晕外围的单个暗物质粒子将完成一个轨道。气体，反馈，恒星形成，超新星和辐射的影响都使这种环境复杂化，因此很难提取普遍的暗物质预测。
  

他们一起告诉我们，在每个星系和星系团周围，都应该有一个非常大的，弥漫的暗物质晕。这种暗物质几乎不应与正常物质发生碰撞相互作用; 上限表明暗物质粒子需要光年数的固体铅才能进行50/50的相互作用。
然而，应该有大量的暗物质粒子通过地球未被发现，我和你每一秒。此外，暗物质也不应该与正常物质发生碰撞或相互作用。至少可以说，这使得直接检测变得困难。但幸运的是，有一些间接的方法来检测暗物质的存在。首先是研究所谓的引力透镜。

?当在星团的背景中存在明亮的大质量星系时，由于称为引力透镜的一般相对论效应，它们的光将被拉伸，放大和扭曲。
通过观察背景光如何通过介入质量的存在而扭曲（仅来自广义相对论定律），我们可以重建该物体中的质量。同样，它告诉我们，在所有类型的正常（基于标准模型）的问题中，必须存在大约六倍的问题。
那里必须有暗物质，其数量与所有其他观测结果一致。但偶尔，宇宙是善良的，并且给我们两个星团或一组星系相互碰撞。当我们研究这些碰撞的星系团时，我们会学到更深刻的东西。

• ?四个碰撞的星系团，显示X射线（粉红色）和万有引力（蓝色）之间的分离，表明暗物质。在大规模上，冷暗物质是必要的，没有替代或替代品。
  

暗物质确实通过了彼此，并占据了绝大多数的质量; 气体形式的正常物质产生冲击（在X射线/粉红色，上面），并且仅占总质量的约15％。换句话说，大约五分之六的质量是暗物质！通过观察碰撞的星系团并监测可观测物质和总引力质量的行为，我们可以得出暗物质存在的天体物理学，经验证据。对引力定律没有任何修改可以解释原因：

• 两个星团，预碰撞，将其质量和气体对齐，
  
• 但是碰撞后，它们的质量和气体会分开。
  

尽管如此，尽管存在所有这些独立于模型的证据，我们仍然希望直接检测暗物质。这是我们未能实现的那一步 - 而且只是那一步。

• ?旋转独立的WIMP /核子横截面现在受到XENON1T实验的最严格限制，该实验比包括LUX在内的所有先前实验都有所改进。虽然很多人可能会对XENON1T没有强力发现暗物质感到失望，但我们不能忘记XENON1T对其他敏感的物理过程。
  

不幸的是，我们不知道标准模型之外还有什么。我们从来没有发现过一个不属于标准模型的粒子，但我们知道必须有比我们目前发现的更多的粒子。就暗物质而言，我们不知道暗物质的粒子（或粒子）属性应该是什么，看起来应该是什么，或者如何找到它。我们甚至不知道它是否是一件事，或者它是否由各种不同的颗粒组成。
我们所能做的就是寻找到某个横截面的交互，但不要低。我们可以将能量反冲降低到一定的最小能量，但不低。我们可以寻找光子或中微子转换，但所有这些机制都有局限性。在某些时候，背景效应 - 自然放射性，宇宙中子，太阳/宇宙中微子等 - 使得无法提取低于某一阈值的信号。

• ?寻求利用暗物质和电磁之间假设相互作用的其中一个实验的低温设置集中在低质量候选物上：轴。然而，如果暗物质没有当前实验所测试的特定属性，那么我们甚至没想到的那些物质都不会直接看到它。
  

迄今为止，直接探测暗物质的努力都是徒劳的。我们没有观察到需要暗物质来解释它们的相互作用信号，也没有观察到与我们宇宙中标准的模型粒子不一致的相互作用信号。直接探测可能不利于或限制特定的暗物质粒子或场景，但不会影响大量的间接天体物理证据，这些证据使暗物质成为唯一可行的解释。
许多人孜孜不倦地寻找替代品，但除非他们歪曲了暗物质的事实(有些人确实如此)，否则他们有大量的证据需要解释。当涉及到寻找伟大的宇宙未知时，我们可能会幸运，这就是为什么我们尝试。但是证据的缺乏并不是证据的缺乏。当涉及到暗物质时，不要让自己被愚弄。


本文选自：今日头条