北京時(shí)間 6 月 3 日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，許多年來(lái)，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(wú)形物質(zhì)到底是什么，但迄今為止所有的科學(xué)實(shí)驗(yàn)都未能探測(cè)到任何暗物質(zhì)候選粒子。如今，美國(guó)特拉華大學(xué)的研究人員提出了一種新的暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，試圖通過(guò)一面超薄的鏡子來(lái)探測(cè)所謂的“暗光子”。
這項(xiàng)研究描述了一種硬幣大小的加速度計(jì)，在理論上能夠測(cè)量到此前實(shí)驗(yàn)中無(wú)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(guò)暗光子，類似于我們熟悉的電磁力光子；該理論推測(cè)，暗物質(zhì)會(huì)發(fā)射出暗光子，有時(shí)一個(gè)暗光子也可能與一個(gè)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(huì)表現(xiàn)為“電磁場(chǎng)”。只不過(guò)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(cè)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(gè)粒子的海洋中，這些尚未被探測(cè)到的粒子比電子輕數(shù)萬(wàn)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(wèn)題。
探索暗物質(zhì)
幾十年來(lái)，物理學(xué)家一直在尋找宇宙中看不見(jiàn)摸不著的“暗物質(zhì)”。最初，當(dāng)科學(xué)家觀察宇宙時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一些難以解釋的引力效應(yīng)，并以此推測(cè)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(jiàn)的東西，才能解釋所有這些額外的引力。一個(gè)關(guān)于暗物質(zhì)的理論認(rèn)為，軸子（axion）是這些無(wú)形物質(zhì)引起可觀測(cè)引力效應(yīng)的原因（最近的一項(xiàng)研究認(rèn)為，這些軸子可能會(huì)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(jiǎn)稱 WIMP）構(gòu)成的。暗光子理論也是由該理論發(fā)展而來(lái)。還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，暗物質(zhì)可以用原始宇宙中的小黑洞來(lái)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(diǎn)，通常都意味著不同的暗物質(zhì)粒子探測(cè)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(duì)暗光子的理論和實(shí)驗(yàn)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(duì)宇宙起源和演化的認(rèn)識(shí)。暗光子具有獨(dú)特的相互作用，可以解釋一些 WIMP 單粒子方案無(wú)法解釋的問(wèn)題，例如為何星系中心的密度會(huì)低于預(yù)期的結(jié)果。
有關(guān)暗物質(zhì)密度的問(wèn)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(duì)應(yīng)的暗物質(zhì)質(zhì)量就大約相當(dāng)于一只松鼠；問(wèn)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(cè)器
該研究團(tuán)隊(duì)提出，可以用一個(gè)硬幣大小，厚度為 100 納米，由氮化硅薄膜和鈹制成的鏡片來(lái)探測(cè)暗光子。這種材料非常敏感，當(dāng)光在表面之間反射時(shí)，探測(cè)器就能測(cè)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(kāi)了，這或許能為我們帶來(lái)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(tīng)”特定頻率的暗物質(zhì)。如果以此建造多臺(tái)探測(cè)器，每一臺(tái)都設(shè)置成不同的頻率，就可以提高探測(cè)到暗物質(zhì)的幾率；如果在一定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)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(jià)格合理，與傳統(tǒng)的暗物質(zhì)探測(cè)器設(shè)計(jì)大不相同，后者通常需要將成噸的氙埋在地下。事實(shí)上，研究團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)將是“臺(tái)式”的，不過(guò)并不像我們一般理解的臺(tái)式概念。
探測(cè)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(dòng)的噪聲干擾。他們的論文并不等同于具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，而是以此呼吁其他研究團(tuán)隊(duì)能幫助開(kāi)發(fā)精密的測(cè)量設(shè)備，以完成這些困難的任務(wù)。
這種探測(cè)器將在大約 5 年內(nèi)投入試驗(yàn)運(yùn)行。這些小型的傳感器能發(fā)現(xiàn)任何暗物質(zhì)嗎？沒(méi)有人知道。但即使毫無(wú)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(lái)的研究。
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