什么是暗物质？科学家提出了暗物质的重量级候选者

fishbiscuit456

宇宙的四分之一实际上是处于阴影之中。根据宇宙学家的理论，宇宙的25.8%是由暗物质组成的，暗物质的存在基本上只能通过它的引力来表示，而且这种物质由什么组成仍然是个谜。波茨坦马普引力物理研究所所长赫尔曼·尼科莱和他华沙大学的同事Krzysztof Meissner现在提出了一个新的候选者——超重引力子。这个仍然是假设的粒子的存在源于一个假设，该假设试图解释粒子物理标准模型中观测到的夸克和轻子光谱可能是如何从一个基本理论中产生的。此外，研究人员还描述了一种追踪这种粒子的可能方法。

粒子物理学的标准模型包括物质的组成部分和把它们结合在一起的力。它指出，有六种不同的夸克和六种轻子被分成三个“族”。然而，我们周围的物质和我们自己最终只由来自第一族的三个粒子组成:上夸克和下夸克以及电子，电子是轻子族的一员。

到目前为止，这个长期建立的标准模型一直保持不变。位于日内瓦的欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)大约十年前投入使用，主要目的是探索未来可能存在的东西。然而，经过10年的数据收集，科学家们除了希格斯玻色子之外，还没有发现任何新的基本粒子，尽管人们普遍持有相反的预期。换句话说，迄今为止，大型强子对撞机的测量结果未能提供任何超出标准模型的“新物理学”线索。这些发现与这个模型的许多扩展建议形成了鲜明的对比，这些扩展建议了大量的新粒子。

在前面的文章发表在《物理评论快报》上,赫尔曼·尼科莱和Krzysztof迈斯纳提出了一种新的假说试图解释为什么只有已知的基本粒子发生在自然和物质的基本构建块,为什么以前所想的相反,没有新的粒子会在能源范围访问当前或未来可能的实验。

此外，两位研究人员假设存在超大质量引力子，这可能是暗物质极不寻常的候选者。在最近发表在《物理评论D》(Physical Review D)杂志上的第二篇论文中，他们还提出了一项关于如何追踪这些引力子的建议。

在他们的工作中，Nicolai和Meissner采用了诺贝尔奖得主Murray Gell-Mann基于“N=8超重力”理论的旧观点。他们提出的一个关键因素是一种新型的无限维对称，旨在解释已知夸克和轻子的观测光谱。赫尔曼?尼科莱表示:“我们的假设实际上没有为普通物质产生额外的粒子，而这些粒子在加速器实验中没有出现，因此需要加以驳斥。”“相比之下，我们的假设在原则上可以准确解释我们所看到的，特别是夸克和轻子在三个家族中的复制。”

然而，宇宙的过程不能完全用我们已经知道的普通物质来解释。这一现象的一个标志是星系:它们以高速旋转，而宇宙中可见的物质——只占宇宙物质的5%——不足以将它们聚集在一起。然而，到目前为止，没有人知道其余的是由什么组成的，尽管有许多建议。因此，暗物质的性质是宇宙学中最重要的悬而未决的问题之一。

赫尔曼·尼科莱说:“人们普遍认为暗物质是由一个基本粒子组成的，而目前还不可能探测到这个粒子，因为它几乎完全是靠引力与普通物质相互作用的。”与Krzysztof Meissner合作开发的模型为这类暗物质粒子提供了一个新的候选粒子，尽管它的性质与目前讨论的所有候选粒子(如轴子或弱相互作用大质量粒子)完全不同。后者与已知物质的相互作用非常微弱。同样的道理也适用于非常轻的引力子，它们被反复地提出作为与低能量超对称性有关的暗物质候选体。无论如何，现在的提议是完全不同的方向，即使方案从最大N=8的超重力下降，它也不再是超对称的主要角色。“特别是，我们的方案预测了超重引力子的存在，它不像通常的候选粒子，也不像之前考虑的轻引力子，它也会与普通物质发生强烈的电磁作用，”赫尔曼·尼科莱说。

它们的巨大质量意味着这些粒子只能以非常稀薄的形式出现在宇宙中;否则，它们就会“过度接近”宇宙，从而导致其早期崩溃。根据马克斯·普朗克研究人员的说法，要解释宇宙和银河系中暗物质的含量，实际上并不需要很多这样的粒子——每10000立方千米一个粒子就足够了。尼可莱和迈斯纳假定的粒子质量位于普朗克质量的区域，即大约1亿分之一千克。相比之下，质子和中子——构成原子核的基本元素——要轻10万亿倍。在星系间空间，密度会更低。

尼科莱说:“这些重引力子的稳定性取决于它们不同寻常的量子数(电荷)。”“具体地说，在标准模型中根本没有相应电荷的最终状态可以让这些引力子衰变——否则，它们会在大爆炸后不久消失。”

它们与已知物质的强电磁相互作用可能使这些暗物质粒子更容易被追踪，尽管它们极其罕见。可能的方法是通过在地下深处进行专门的飞行时间测量来寻找它们，因为这些粒子的运动速度比光速慢得多，而不像来自宇宙辐射的普通基本粒子。然而，它们可以毫不费力地穿透地球，因为它们巨大的质量就像一个无法被一群蚊子阻止的炮弹。

这一事实让研究人员有了将地球本身作为“古探测器”的想法:地球已经在星际空间中运行了大约45亿年，在此期间，它一定被这些巨大的引力子穿透了。在这个过程中，这些粒子应该在岩石中留下长而直的电离轨迹，但要将它们与已知粒子造成的轨迹区分开来可能并不容易。“众所周知，电离辐射会导致晶体结构中的晶格缺陷。我们有可能在晶体中发现这种电离痕迹的遗迹，这种痕迹在数百万年的时间里保持稳定，”赫尔曼?尼科莱(Hermann Nicolai)表示。由于其长时间的“暴露时间”，这样的搜索策略在暗物质在星系内部不是均匀分布而是受局部密度波动影响的情况下也可能会成功——这也可以解释到目前为止寻找更传统的暗物质候选者失败的原因。


原文地址：今日头条