暗物质粒子是什么?

文章作者:管理一号 | 2019-06-01
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Asimina Arvanitak

来历:举世科学

暗物质粒子是什么?这是萦绕在一切理论物理学家心中的疑团。物理学家相继提出了轴子、WIMP粒子等暗物质候选粒子,也企图经过天上地下的多个试验寻觅暗物质,但它们依然未见踪迹。比较于这些微观国际中的候选粒子,希腊理论物理学家Asimina Arvanitaki提出的暗物质理论满足斗胆。在她看来,构成于黑洞超辐射的暗物质粒子,足足有一颗行星那么大!这个与众不同的假说,是怎样提出的?

特立独行

“起先,咱们也觉得这很荒唐。” 在加拿大圆周理论物理研讨所的办公室中,Asimina Arvanitak这样说道。天文学家估测,国际中存在看不见的暗物质,它们为星系聚在一起供给引力。关于Arvanitak的主意——黑洞发作的行星巨细的漩涡状粒子云便是暗物质,咱们一点都不惊奇。

这可是Arvanitaki的特长,她是榜首位在圆周理论物理研讨所取得教授职称的女人。她喜爱把被忽视的主意(不论它们听起来多么遥不行及)拿出来,然后规划出奇妙、廉价的试验来查验它们。

Arvanitaki的专业才能,再加上她与众不同的作业风格,让她在这一范畴独具匠心。“我很简单感到无聊,”她说,“我想看看特别的东西。不然,还有什么含义呢?”

Arvanitaki喜爱太空,也喜爱轿车,但她不得不在上高中时,在工程学和物理学之间作出挑选。“我知道,我更感兴趣的是工作为什么会发作,而不是怎么发作。”

现在,她的方针是发现一些真实有意思的东西。粒子物理学的规范模型方程不只描绘了已知的一切粒子,还包含了这些粒子经过除了引力外的别的三种力怎么彼此作用。尽管这现已满足巨大了,但依然远非完美:它没有说到引力,也没有说到暗物质,并且也不能解说引力为什么如此弱小,比方你每拿起一杯水就相当于克服了整个星球的引力。

这些疑团的头绪本应来自于物理学的旗舰试验——坐落于瑞士日内瓦邻近的大型强子对撞机(LHC)。许多业内人士都在期盼,大型强子对撞机能找到超对称粒子。超对称理论为每一个已知粒子引入了一个超重火伴,这或许能够解说暗物质的存在。但许多人对此表明置疑,还有一些人则提议缔造更大的对撞机。

“作为年轻人,咱们多少知道,许多办法都现已测验过了。咱们不想只研讨他人现已研讨过的东西。”所以,其时在斯坦福大学读研讨生的Arvanitaki开端将目光投向那些不行能在对撞机中呈现的东西。

黑洞旁的轴子

她被“轴子”(axion)所招引。轴子是20世纪70年代提出的一种设想粒子,假如能证明轴子的存在,将破解粒子物理学范畴的一个未解之谜——强彼此作用的电荷-宇称问题。轴子十分轻,不带电荷,是暗物质的或许候选者。但问题是,轴子简直不与国际间任何物质发作彼此作用,所以它们永久不会呈现在大型强子对撞机上。这或许是轴子失宠的原因之一。

2010年,为了复生轴子理论,Arvanitaki和搭档引入了弦论。弦论提出了十维空间(尽管还有待查验),除了实际国际中的四维,其他六维有必要满足紧致,不然咱们就能探测到它们了。依据Arvanitaki的观念,正是这种丰厚的超维度结构发作了各种超轻轴子——她称之为“string axiverse”。

行星巨细的粒子云,正是依据这一猜测。当Arvanitaki写出“axiverse”的字符时,一位搭档问她是否听说过黑洞超辐射。Arvanitaki没听过。可是,在花了一年时刻思考后,她开端意识到,假如轴子的确存在,黑洞超辐射或许会让咱们发现轴子。

超辐射是一种在某些类型的激光中倍增光子的齐备进程,相同适用于天体物理标准。假如你有一个光子(依据量子力学,一起也是一种波),你向旋转的黑洞发射它,它会从黑洞中提取能量和角动量。换句话说,黑洞会给光子一个力。现在,假如你进行相同的操作,可是把无停止质量的光子换成有质量、带引力的粒子,比方轴子,状况就不相同了。

“轴子波从旋转的黑洞散射,因为黑洞的引力,随后又反弹回来,如此往复。黑洞会不断将一些能量加给它们,终究轴子呈指数增强。”Arvanitaki说。黑洞超辐射会发作一团由轴子构成的巨大粒子云,这些轴子将以有序的方法摆放,她弥补说,“这很像原子轨道的形状,仅仅规划更大”。

黑洞超辐射构成粒子云的进程

 

问题是,为了制作这些所谓的“黑洞原子”,轴子的波长有必要与黑洞的直径相同。波长与质量成反比,但轴子偏偏归于质量超轻的粒子。“咱们倾向于以为粒子很小,但理论上讲,它们没有理由不行以像星系相同大,”Arvanitaki说。

对少数人来说,这并不生疏。Arvanitaki与搭档最近发现,轴子云可见于引力波的信号中。在这种状况下,不需要黑洞彼此磕碰,云团内轴子之间的磕碰湮灭会发作引力子——构成引力波的粒子。轴子和黑洞的结合,戏剧性地发作了Arvanitaki所描绘的在各个方向都闪耀着的“引力信号”。Arvanitaki期望从引力波信号中找到这样特征性的信号。为此,她一向与LIGO的研讨人员协作,预备探测器的第三次运转。这次运转在本年4月开端后,当即检测到了引力波。估计每隔几周,研讨团队就会持续发现引力波信号。她将从这些信号中,持续寻觅暗物质的头绪。

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