暗物質(zhì)新的候選物和新探測暗物質(zhì)的方法，加州大學(xué)戴維斯分校兩位理論物理學(xué)家提出了暗物質(zhì)的新候選者，以及探測暗物質(zhì)的可能方法。他們?cè)谖靼嘌栏窭{達(dá)舉行的普朗克2019年會(huì)議上展示了其研究成果，并已提交出版。暗物質(zhì)被認(rèn)為只占我們宇宙的四分之一多一點(diǎn)，其余大部分甚至是更神秘的暗能量。

暗物質(zhì)不能被直接看到，但是暗物質(zhì)的存在是可以被探測到的，因?yàn)樗囊Q定了遙遠(yuǎn)星系和及其形狀。許多物理學(xué)家相信暗物質(zhì)是由一些尚未被發(fā)現(xiàn)的粒子組成。一段時(shí)間以來，最受歡迎的候選者一直是弱相互作用大質(zhì)量粒子(WIMP)。但是，盡管經(jīng)過多年的努力，wimp到目前為止還沒有出現(xiàn)在旨在探測它們的實(shí)驗(yàn)中。

加州大學(xué)戴維斯分校(UC Davis)物理學(xué)教授、論文合著者約翰·特寧(John Terning)說：我們?nèi)匀徊恢腊滴镔|(zhì)是什么，長期以來，WIMP一直是主要的暗物質(zhì)候選者，但現(xiàn)在看來，這種可能性幾乎完全被排除了。另一種替代WIMP暗物質(zhì)模型的方法是需要一種包括“暗光子”和其他粒子在內(nèi)的“暗電磁”形式，暗光子將與“規(guī)則”光子有一些弱耦合。

• （博科園-圖示）宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的模擬，藍(lán)色是暗物質(zhì)絲，黃顏色是星系形成的地方。暗物質(zhì)還不能被直接探測到，加州大學(xué)戴維斯分校的物理學(xué)家提出了一個(gè)新模型來解釋這一現(xiàn)象。圖片：Zarija Lukic/Lawrence Berkeley National Laboratory

在新論文中，Terning和博士后研究員Christopher Verhaaren給這個(gè)想法增加了一個(gè)轉(zhuǎn)折：一個(gè)暗磁“單極子”將與黑暗光子相互作用。在宏觀世界中，磁體總是有南北兩極，單極子是一種粒子，其作用類似于磁鐵的一端。單極子由量子理論預(yù)測，但從未在實(shí)驗(yàn)中被觀測到?？茖W(xué)家們認(rèn)為，暗磁單極子與暗光子和暗電子的相互作用，與理論預(yù)測的電子和光子與磁單極子相互作用的方式相同。

一種探測暗物質(zhì)的新方法

這意味著一種檢測這些暗粒子的方法，物理學(xué)家保羅·狄拉克(Paul Dirac)預(yù)測，在單極子附近繞圈運(yùn)動(dòng)的電子，其波函數(shù)會(huì)發(fā)生相位變化。因?yàn)樵诹孔永碚撝?，電子既以粒子的形式存在，又以波的形式存在，所以同一個(gè)電子可以從單極子的任何一邊通過，從而使另一邊的相位略有偏離。這種被稱為“阿哈羅諾夫-玻姆效應(yīng)”的干涉圖樣意味著，即使電子不穿過磁場，它也會(huì)受到磁場的影響。

Terning和Verhaaren認(rèn)為：可以探測到一個(gè)暗單極子，因?yàn)樗陔娮咏?jīng)過時(shí)改變了電子的相位。這是一種新的暗物質(zhì)，但它也提供了一種尋找暗物質(zhì)的新方法。電子束相對(duì)容易獲得：電子顯微鏡在20世紀(jì)60年代被用來證明阿哈羅諾夫-玻姆效應(yīng)，電子束技術(shù)已經(jīng)隨著時(shí)間的推移而改進(jìn)。從理論上講，暗物質(zhì)粒子一直在穿過我們身體。

要在Terning和Verhaaren的模型中被探測到，單極子必須受到太陽激發(fā)。然后它們將以光速的千分之一到達(dá)地球，大約需要一個(gè)月的時(shí)間。另一方面，預(yù)測的相移非常小——例如，小于探測引力波所需的相移。然而，當(dāng)LIGO引力波實(shí)驗(yàn)第一次被提出時(shí)，使其成功的技術(shù)還不存在，相反，隨著時(shí)間的推移，這項(xiàng)技術(shù)得到了發(fā)展。

博科園｜研究/來自：加州大學(xué)戴維斯分校

參考期刊《arXiv》

Cite: arXiv:1906.00014

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