科学家计划模拟"磁星"环境寻暗物质:或解决物理最复杂之谜

文章作者:lili | 2016-10-11
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如何寻找暗物质?去外太空也许并不是个好主意,美国麻省理工大学的科学家准备做一项伟大的实验,他们计划模拟“磁星”环境,在实验室中寻找暗物质。如果能成功找到,那么将可能解决物理学上的大问题。

图为ABRACADABRA装置。它由一组缠成甜甜圈状的磁线圈组成,外面包有一层超导金属,为了将外部噪音降低到最小,还需要被置于接近绝对零度的低温下。科学家计划采用一台高度敏感的磁力计,放在这个“甜甜圈”的中间,用来探测轴子造成的影响。  图为ABRACADABRA装置。它由一组缠成甜甜圈状的磁线圈组成,外面包有一层超导金属,为了将外部噪音降低到最小,还需要被置于接近绝对零度的低温下。科学家计划采用一台高度敏感的磁力计,放在这个“甜甜圈”的中间,用来探测轴子造成的影响。

  麻省理工学院的物理学家们提出了一项新实验,希望能探测到一种名叫轴子(axion)的暗物质粒子。如果成功的话,这将解决粒子物理领域中最复杂的未解之谜,并让我们对暗物质获得进一步的了解。

  轴子是一种假想出来的基本粒子,科学家认为它是宇宙中质量最轻的粒子之一,体积只有质子的零头那么大。这些超轻的粒子就算真的存在,我们也看不见它。轴子和其它目前尚未观察到的粒子也许占了宇宙中全部物质的百分之八十,以暗物质的形式存在。

  麻省理工的研究团队提出了一项新的实验方案,通过模拟一种名叫“磁星”的极端环境,对轴子展开探测。磁星指的是一种特殊的中子星,能够产生极为强大的磁场。物理学家指出,如果轴子存在的话,巨大的磁场会出现轻微的波动,从而制造出另一个小得多的磁场。

  该研究团队成员包括麻省理工学院的物理学副教授杰西·泰勒(Jesse Thaler)、麻省理工学院助理研究员本杰明·沙夫迪(Benjamin Safdi)以及2015届PhD学生约纳坦·卡恩(Yonatan Kahn)。他们一起设计了一项实验,在可控的实验室环境中重建了磁星的物理环境,并借鉴了磁共振成像技术。

  该实验的核心装置简称为“ABRACADABRA”(全称A Broadband/Resonant Approach to Cosmic Axion Detection with an Amplifying B-field Ring Apparatus),由一组缠成甜甜圈状的磁线圈组成,外面包有一层超导金属,为了将外部噪音降低到最小,还需要被置于接近绝对零度的低温下。科学家计划采用一台高度敏感的磁力计,放在这个“甜甜圈”的中间,用来探测轴子造成的影响。

  “轴子是一种非常奇怪的、违反直觉的粒子。”泰勒说道,“它们非常轻,产生的相互作用非常微弱,但宇宙中的大部分物质可能都是由它们构成的,它们的总质量可能是普通物质的五倍之多。因此我们必须努力思考,这些物质是否能利用现有技术探测出来。这实在令人望而生畏。”

  一种“使人着迷”的粒子

  如果探测到了轴子的存在的话,这也许能解决粒子物理领域的一个未解之谜,也就是强电荷共轭问题。从上世纪70年代至今,用沙夫迪的话说,“中子对电场的冷漠”令科学家备感困惑。中子是一种不带净电荷的基本粒子,几乎每个原子的原子核中都含有中子。

  “我们无法在电场中给中子加速,因为它们不带任何电荷,但你可以让它们旋转起来,”沙夫迪说道,“因为我们认为中子存在电偶极矩,比如在一侧带有一个正电荷,另一侧带有一个负电荷。但就我们目前了解的信息来看,这种旋转效应并不存在,虽然从理论上来说是应该存在的。”

  科学家提出假设称,轴子也许能解释这种奇怪的现象,可能它使中子的电偶极矩消失了。如果是这样的话,我们也许就能通过实验发现,轴子是如何对电磁现象造成影响的。

  “要是真的存在如此重要的粒子的话,那无疑是十分诱人的;而如果我们能探测到以暗物质形式存在的这些粒子,那就更加诱人了。”泰勒说道。

  搜寻仍在继续

  泰勒表示,到目前为止,大部分对轴子的搜寻工作都是由华盛顿大学的研究人员开展的。他们做了轴子暗物质实验(Axion Dark Matter Experiment,简称ADMX)。该实验采用了谐振微波腔,位于一块大型超导磁铁当中,可以探测到轴子向微波质子的微弱转变现象。该实验在寻找轴子时,搜索的范围非常狭小。

  泰勒和他的研究团队意识到,他们可以通过重建磁星的物理环境,扩大这一范围,寻找更小、更轻的粒子。

  “与强电荷共轭问题相关的是,电场是否会对中子的旋转产生影响。你可以把磁星想象成一个巨大的、带有磁场的旋转体。”泰勒解释道,“如果轴子介入了其中、改变了原子核物质的性质、从而解决了强电荷共轭问题的话,也许轴子会和磁星产生相互作用,让你从一个新的角度看待这个问题。因此,轴子的影响虽然微弱,但我们还是要多加重视。”

  该研究团队的实验装置小得令人惊讶,“只有你的手掌那么大。”他们都是理论物理学家,正在与麻省理工学院的实验专家联手研究实验装置。他们设计的装置产生的磁场基线为1特斯拉,和现有的核磁共振设备差不多。如果存在轴子的话,这一磁场应当会出现轻微的波动,振动频率与轴子质量呈正相关。泰勒希望能在高精度磁力计的帮助下,确定该频率的大小,然后进一步判断出轴子的体积。

  “一直到最近,物理届才涌现出了许多搜寻低频轴子的出色想法,”华盛顿大学的一名物理学副教授格雷·里布卡(Gray Rybka)说道,“他们提出的实验正是建立在这些想法的基础之上的。”

  “我们的实验设备在很多波段上反应都很敏锐,我们可以用一个处于特定波段上的轴子来刺激它一下,ABRACADABRA便会产生共振,”泰勒说道,“接下来我们会进一步深入,也许我们能利用该装置找到暗物质,那真是令人激动。”

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