北京時間 6 月 3 日消息，據(jù)國外媒體報道，許多年來，科學(xué)家付出了巨大的努力和大量的資金，希望了解可能構(gòu)成大部分宇宙的無形物質(zhì)到底是什么，但迄今為止所有的科學(xué)實驗都未能探測到任何暗物質(zhì)候選粒子。如今，美國特拉華大學(xué)的研究人員提出了一種新的暗物質(zhì)實驗設(shè)計，試圖通過一面超薄的鏡子來探測所謂的“暗光子”。
這項研究描述了一種硬幣大小的加速度計，在理論上能夠測量到此前實驗中無法看到的微小粒子。研究人員希望找到的假想粒子即暗光子，與普通的光子大不相同。一種理論認(rèn)為，光與暗物質(zhì)（以及暗能量）的交流是通過暗光子，類似于我們熟悉的電磁力光子；該理論推測，暗物質(zhì)會發(fā)射出暗光子，有時一個暗光子也可能與一個普通光子相互作用，改變后者的能量和軌道。
和光子一樣，暗光子也會表現(xiàn)為“電磁場”。只不過與光子不同的是，暗光子具有質(zhì)量。這一特性使它們成為暗物質(zhì)的候選粒子。
研究人員在兩篇論文中探討了不同的暗物質(zhì)特征類型，他們認(rèn)為，這些特征可以幫助我們探測到真正的暗物質(zhì)。這兩篇論文都考慮了這樣一種可能性，即我們的銀河系正沐浴在一個粒子的海洋中，這些尚未被探測到的粒子比電子輕數(shù)萬億倍，構(gòu)成了所有的暗物質(zhì)。然而，這些粒子究竟是什么，以及它們?nèi)绾闻c常規(guī)物質(zhì)相互作用，這其中還有許多關(guān)鍵的問題。
探索暗物質(zhì)
幾十年來，物理學(xué)家一直在尋找宇宙中看不見摸不著的“暗物質(zhì)”。最初，當(dāng)科學(xué)家觀察宇宙時，發(fā)現(xiàn)了一些難以解釋的引力效應(yīng)，并以此推測宇宙中存在著比常規(guī)物質(zhì)多得多的質(zhì)量。他們相信，宇宙中一定存在某種我們目前技術(shù)看不見的東西，才能解釋所有這些額外的引力。一個關(guān)于暗物質(zhì)的理論認(rèn)為，軸子（axion）是這些無形物質(zhì)引起可觀測引力效應(yīng)的原因（最近的一項研究認(rèn)為，這些軸子可能會在中子星的核心突然出現(xiàn)或消失）。
最基本也最流行的暗物質(zhì)理論認(rèn)為，暗物質(zhì)是由所謂的“弱相互作用大質(zhì)量粒子”（weakly interacting massive particle，簡稱 WIMP）構(gòu)成的。暗光子理論也是由該理論發(fā)展而來。還有一種觀點認(rèn)為，暗物質(zhì)可以用原始宇宙中的小黑洞來解釋。所有這些關(guān)于暗物質(zhì)如何呈現(xiàn)，以及如何分布的觀點，通常都意味著不同的暗物質(zhì)粒子探測方式。
作為理論上的假想粒子，暗光子也可能是一種新的標(biāo)準(zhǔn)模型與暗物質(zhì)粒子相互作用的媒介子。對暗光子的理論和實驗研究，將有助于發(fā)現(xiàn)超越粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理學(xué)，擴(kuò)展人類對宇宙起源和演化的認(rèn)識。暗光子具有獨特的相互作用，可以解釋一些 WIMP 單粒子方案無法解釋的問題，例如為何星系中心的密度會低于預(yù)期的結(jié)果。
有關(guān)暗物質(zhì)密度的問題還存在相當(dāng)大的不確定性。每一份地球大小的質(zhì)量，所對應(yīng)的暗物質(zhì)質(zhì)量就大約相當(dāng)于一只松鼠；問題不在于有多少暗物質(zhì)存在，而在于暗物質(zhì)是否真的以松鼠大小的質(zhì)量，均勻地分布在地球大小的質(zhì)量中，形成超精細(xì)的粒子霧。
以鏡片作為探測器
該研究團(tuán)隊提出，可以用一個硬幣大小，厚度為 100 納米，由氮化硅薄膜和鈹制成的鏡片來探測暗光子。這種材料非常敏感，當(dāng)光在表面之間反射時，探測器就能測量出鏡片和薄膜之間的距離是否發(fā)生了變化；如果發(fā)生了變化，可能就意味著有什么東西把它們分開了，這或許能為我們帶來新物理學(xué)的線索。研究人員認(rèn)為，這種設(shè)備就像音叉一樣，可以設(shè)定為“監(jiān)聽”特定頻率的暗物質(zhì)。如果以此建造多臺探測器，每一臺都設(shè)置成不同的頻率，就可以提高探測到暗物質(zhì)的幾率；如果在一定的時間內(nèi)沒有結(jié)果，他們還可以不斷換成其他頻率。
這種設(shè)備的尺度可以擴(kuò)展，且價格合理，與傳統(tǒng)的暗物質(zhì)探測器設(shè)計大不相同，后者通常需要將成噸的氙埋在地下。事實上，研究團(tuán)隊的設(shè)計將是“臺式”的，不過并不像我們一般理解的臺式概念。
探測器的懸掛越好（越接近自由落體），其結(jié)果就越能排除地面活動的噪聲干擾。他們的論文并不等同于具體的實驗設(shè)計，而是以此呼吁其他研究團(tuán)隊能幫助開發(fā)精密的測量設(shè)備，以完成這些困難的任務(wù)。
這種探測器將在大約 5 年內(nèi)投入試驗運行。這些小型的傳感器能發(fā)現(xiàn)任何暗物質(zhì)嗎？沒有人知道。但即使毫無結(jié)果的話，也能幫助物理學(xué)家了解暗物質(zhì)不是什么，而這將有助于完善未來的研究。
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