这些奇怪的'准粒子'可以最终揭开暗物质的面纱

宇宙中大约80%的物质都是当前物理学所不知道的形式。我们称之为暗物质,因为我们可以说它是黑暗的。世界各地的实验试图捕捉一个杂散的暗物质粒子,希望能够理解它,但到目前为止,它们已经空洞。

最近,一个理论家团队提出了一种新的方法来寻找暗物质,使用称为磁子的怪异“粒子”,这个名字我不仅仅是弥补。理论家们说,这些微小的涟漪甚至可以引诱一种短暂的,轻质的暗物质粒子隐藏起来。[ 关于暗物质的11个最大的未答复问题 ]

暗物质难题
我们知道关于暗物质的各种事物,除了它是什么之外的明显例外。即使我们无法直接探测到它,只要我们将望远镜打开到更广阔的宇宙,我们就会看到暗物质的证据。早在20世纪30年代,第一个启示是通过对星系团的观测得出的,这是宇宙中一些最大的结构。居住在他们周围的星系只是移动得太快而无法像群集一样被聚集在一起。这是因为星系的集体质量提供了将聚类保持在一起的引力胶 – 质量越大,胶水越强。即使是最快速移动的星系,超强胶也能将它们结合在一起。任何更快的和群集将简单地撕裂自己。

但是存在这样的星团,星系在它们周围嗡嗡作响的速度远远快于它们群集的质量。有一些东西有足够的重力把握聚集在一起,但有些东西没有发光或与光相互作用。

这个谜悬而未决坚持通过几十年,并在20世纪70年代天文学家维拉·鲁宾通过星系内恒星的观测调升加码的一大途径。事情进展得太快了:鉴于他们观察到的质量,我们宇宙中的星系应该在数十亿年前分裂。有什么东西让他们在一起。看不见的东西。[ 11关于我们银河系的有趣事实 ]

无论是在时间还是在空间,故事都在宇宙中重演。从宇宙大爆炸的最早的光到宇宙中最大的结构,那里有一些时髦的东西。

在黑暗中搜索
所以暗物质就在那里 – 我们无法找到任何其他可行的假设来解释支持其存在的数据海啸。但它是什么?我们最好的猜测是暗物质是某种新的,奇异的粒子,迄今为止物理学上一无所知。在这张照片中,暗物质涌入每个星系。事实上,通过星星和气体和尘埃云看到的星系的可见部分,只是一个小型灯塔,对着更大,更暗的海岸。每个星系位于由数以万亿计的暗物质粒子组成的巨大“光环”内。

这些暗物质粒子现在流过你的房间。他们正在流过你。一个永无止境的阵雨 – 一种微小的隐形暗物质粒子。但你根本就没有注意到它们。它们不与光或带电粒子相互作用。你是由带电粒子组成的,你对光很友好; 你对暗物质看不见,暗物质对你来说是不可见的。我们“看到”暗物质的唯一方法是通过引力; 引力注意到宇宙中每种形式的物质和能量,黑暗与否,所以在最大的尺度上,我们观察到所有这些无数粒子的组合质量的影响。但是在你的房间吗?没有。

除非,我们希望,还有一些其他方式暗物质与我们正常的物质相互作用。暗物质粒子,无论它是什么,都可能感觉到弱核力 – 这是造成放射性衰变的原因 – 为这个隐藏的领域打开了一扇新的窗口。想象一下,建造一个巨大的探测器,只需要大量的任何元素。暗物质颗粒流过它,几乎所有颗粒都完全无害。但有时,根据暗物质的特定模型而罕见,通过的粒子通过弱核力与探测器中元素的原子核之一相互作用,将其撞击到位并制作探测器的整个质量颤动。

输入磁石
这个实验装置只有在暗物质粒子相对较重的情况下才能发挥作用,这使它足以在一种罕见的相互作用中敲除核子。但到目前为止,即使经过多年的搜索,全球各地的暗物探测器都没有看到任何相互作用的痕迹。随着实验的进行,暗物质的允许性质已经被逐渐排除。这不一定是坏事; 我们根本不知道暗物质是由什么构成的,所以我们越了解什么不是暗物质,它就越清楚。

但缺乏结果可能有点令人担忧。暗物质的最重要候选者被排除在外,如果神秘的粒子太亮,它们将永远不会在探测器中被看到,因为它们现在就被设置了。也就是说,除非暗物质可以通过另一种方式与常规物质交谈。

在最近发表在预印本在线期刊arXiv上的一篇文章中,物理学家详细介绍了一种拟议的实验装置,该装置可以在改变电子自旋的过程中发现暗物质粒子(事实上,如果暗物质可以做到这一点)。在此设置中,即使可疑粒子非常轻,也可能检测到暗物质。它可以通过在材料中创建所谓的磁振来实现。

在绝对零度的温度下假装你有一大块材料。所有的旋转 – 就像微小的小磁棒 – 都是那个物质中的所有电子将指向同一方向。当你慢慢升高温度时,一些电子将开始唤醒,摆动并随机指向相反方向的旋转。升高温度越高,电子卷起的次数越多 – 每次翻转都会使磁场强度降低一点点。每个翻转的旋转也会在材料的能量中产生一点波纹,这些摆动可以看作是准粒子,而不是真正的粒子,但你可以用这种方式用数学来描述。这些准粒子被称为“磁子”,可能是因为它们像小巧可爱的小磁铁。

因此,如果你从一个非常冷的材料开始,并且足够的暗物质粒子撞击材料并翻转一些旋转,你会观察到磁铁。由于实验的灵敏度和相互作用的性质,这种设置可以检测轻质暗物质粒子。

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