天下无小事

关注人间百态 追踪社会热点

反物质能否引领我们通往暗物质宇宙?

迄今为止对宇宙的测量显示,宇宙的大部分质量似乎来源于“暗物质”,即某种通过万有引力定律与常规物质相互作用的隐形物质。尽管付出了很大的努力,但科学家仍未直接探测到暗物质。他们尝试了许多不同的方法,比如意大利国立核子物理研究所的PVLAS探测器团队就试图寻找名为轴子(axion)的粒子。这是一种假想的亚原子粒子,被许多人认为是暗物质的候选组成部分之一。通过研究轴子与反物质相互作用的方式,该团队希望能找到暗物质的潜在线索。

轴子或许只能算是第二大最有希望的暗物质候选粒子,仅次于大质量弱相互作用粒子(Weakly Interactive Massive Particles,简称WIMP)。这种粒子也仍停留在理论阶段,还没有被发现。事实上,理论预测中的轴子具有令人难以置信的微小质量(只有电子的五千亿分之一到五千万分之一),而科学家最初提出这一概念的原因,是为了解决粒子物理学中CP守恒问题。后来科学家意识到,这些粒子或许可以解释宇宙中额外的质量。

在探寻暗物质粒子的同时,科学家也在试图了解反物质。正如普通物质由普通粒子构成,反物质由反粒子构成。作为粒子物理学中反粒子概念的延伸,反物质有点像物质的“邪恶孪生兄弟”:每个亚原子粒子都有一个对应的反粒子,二者的质量相同,但电荷相反,当粒子与反粒子相遇时,就会相互吸引、碰撞并完全转化为光,同时释放巨大的能量——这一过程称为湮灭。反物质并不特别罕见,它们会出现在地球上发生的典型原子衰变过程中,也可以在实验室中人工制造出来,但是在现今可见的宇宙范围内,反物质比常规物质少得多,这种明显的正反物质不对称性成为物理学最大的谜题之一。

该论文的第一作者、日本理化学研究所(RIKEN)的研究人员克里斯蒂安·斯莫拉(Christian Smorra)表示,科学家通常认为暗物质会以同样的方式与物质和反物质相互作用,但“这一假设至今未能得到实验证实,因为在原子物理学中,对暗物质的探索使用的是物质探测器”,而不是反物质探测器。也许反物质与暗物质相互作用的方式与普通物质不同。

日本、德国、瑞士和美国的研究人员正在利用欧洲核子研究中心(CERN)的“重子-反重子对称实验”(Baryon-Antibaryon Symmetry Experiment,简称BASE)获取数据。欧洲核子研究中心的反质子减速器能生成并减慢反质子,并通过BASE将反质子困在极端的真空中。2017年,该国际团队对这些反质子进行了三个月的精确测量,观察它们在磁场中的作用方式。现在,科学家重新检查了这些数据,寻找反质子自旋进动的变化。自旋是粒子的一种内禀性质,使它们有点像一个量子版的旋转陀螺。与轴子——理论上的暗物质粒子——的相互作用,可能会改变粒子围绕自转轴旋转的方式。

这种搜索轴子的策略还有一个额外的好处:如果暗物质与反物质的相互作用不同于与普通物质的相互作用,那轴子就可能有助于解释为什么宇宙中的物质远多于反物质。

根据发表在《自然》(Nature)杂志上的这篇新论文,研究人员并没有发现轴子存在的证据。在暗物质研究中,这样的结果可以说是常态。但是,在这个物理学的时代,各种显而易见的东西都已经被发现了,科学家必须花大量的时间来排除暗物质所不具有的属性,并希望最终能从所有这些无效结果中获得发现。

这是一次重要的粒子寻找过程。“我很高兴有人关注轴子-光子耦合之外的轴子耦合,”美国新罕布什尔大学的物理学助理教授钱达·普雷斯科德-温斯坦(Chanda Prescod-Weinstein)说道。换句话说,终于有科学家尝试寻找与普通粒子相互作用的轴子,而不是只关注轴子和光粒子的相互作用。

尽管该研究仍然没有给出确定的结果,但科学家的搜寻并没有结束。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的物理学家詹保罗·卡罗西(Gianpaolo Carosi)在《自然》杂志的评论文章中写道:“未来的工作应该进一步聚焦轴子-反质子耦合,寻找轴子暗物质和其他反物质形式(如电子的反粒子)相互作用的证据。”

卡罗西表示,研究小组下一步应提高他们的测量灵敏度。关于轴子,我们所知道的是,它们的质量非常微小,但可能的范围又很大,而且电荷和自旋都是零。无论如何,科学家对暗物质的探索仍将继续。

点赞

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注