尋找暗光子:維持宇宙的“第五種力”?


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那麼,這種自然力為何能對我們隱藏如此之久?長期以來,科學家已經知道,自然界存在著4種已知的力,它們拉扯、擠壓和撕裂著常規物質,形成我們現在看到的一切。這4種已知的相互作用構成了我們日常生活的基石,它們分別是:將原子核結合在一起,但距離很短的強核力;神秘而又微弱的弱核力,控制著放射性衰變,並能對被稱為中微子的亞原子粒子產生作用;在我們生活中影響巨大的電磁力;以及微妙的引力,它在4種已知力中最弱的,卻又是作用範圍最大的。

利用這4種基本力,物理學家可以描繪出亞原子和宏觀世界。任何相互作用都離不開這4種力。然而,在我們的宇宙中,特別是在最大的尺度上,關於相互作用的謎團仍然很多。當我們縮小到星系或更小的尺度時,一些難以解釋的事情發生了,科學家將這種難以解釋的現象命名為暗物質。

暗物質是簡單純粹的呢,還是隱藏著某種未知的力量?現在,一個由國際物理學家團隊試圖解答這一問題,他們的研究結果發表在近期的預印本網站arXiv上。研究人員使用大型強子對撞機(LHC)的數據轉儲來尋找這種可能的基本作用力。目前,搜索結果仍然一無所獲。這在某種程度上其實是好事,因為這意味著我們已知的物理定律仍然成立。只不過,我們仍然無法解釋暗物質。

迷失在黑暗中

暗物質是一種假想的物質形式,據估計佔宇宙總質量的80%左右。我們不知道是什麼這些額外的無形物質是怎麼產生的,但我們知道其存在,最大的線索來自引力。通過研究星系內恆星的運動和星團內星系的運動,以及宇宙中大尺度結構的演化,天文學家幾乎一致得出了這樣的結論:宇宙中存在著比可見物質更多的東西。

暗物質或許更應該被稱為“隱形物質”,因為暗物質根本不與光相互作用,我們只能通過引力效應來推斷其存在。如果暗物質能與光相互作用,或者說,如果暗物質與光的相互作用方式與常規物質相同的話,我們現在應該已經看到了這種神秘的物質。但就目前所知,暗物質既不吸收光,也不反射、折射、散射或發射光。對於暗物質,光只是不受歡迎的角色;它甚至可能不存在。

因此,現在很有可能有大量的暗物質粒子正在穿過你的身體。這些粒子流無窮無盡,其組合起來的質量可以通過引力的影響塑造星系的命運,但另一方面,它甚至不會與常規物質發生任何作用。

光的引入

由於我們不知道暗物質由什麼構成,因此可以自由地想像各種各樣的場景。在最簡單的描繪中,暗物質無比龐大,是宇宙的基本組成。是的,暗物質構成了宇宙質量的絕大部分,但它只由數量無比豐富的單一粒子組成,除了擁有質量之外沒有其他意義。這意味著,暗物質可以通過引力效應為人所知,但除此之外,它不會通過任何其他力與常規物質相互作用。因此,我們永遠也看不到暗物質在做別的事情。

想像的場景更有趣。當理論物理學家感到無聊的時候,他們就會為暗物質可能是什麼,以及更重要的是,我們如何才能探測到暗物質,做出一些猜想。一個有趣的暗物質理論認為,暗物質偶爾可以通過弱核力與常規物質相互作用。這個想法激發了當今世界各地的暗物質實驗和探測器。

但是,這個理論仍然假設自然界中仍然只有4種基本作用力。如果暗物質是一種前所未見的粒子,那麼我們完全有理由認為,它很可能具有一種(或者更多)以前未知的自然力,誰知道呢?這種潛在的力可能會讓暗物質只與暗物質相互作用,也可能會讓暗物質與暗能量糾纏在一起,還可能在宇宙的常規物質和隱形部分之間開闢一條新的“溝通”渠道。

暗光子的“崛起”

還有一個理論提出,光與暗物質(以及暗能量)之間的交流是通過所謂的“暗光子”,類似於我們熟悉的電磁力光子。我們不能直接看到或聞到暗光子,但它們可能會與我們所見的世界融合。根據該理論,暗物質會發射出暗光子,這是一種質量相對較大的粒子。這意味著,它們只在短時間內產生影響,與普通的光子大不相同。然而,有時一個暗光子可以與一個普通光子相互作用,改變後者的能量和軌道。

這是非常罕見的事件,否則,我們早就會注意到由此產生的電磁學現象了。因此,即使有暗光子,我們也不能直接看到暗物質,但我們可以通過檢測電磁相互作用來嗅出暗光子的存在。一個暗光子可以通過與普通光子的相互作用來“竊取”能量。

但正如前文所說的,這需要大量的相互作用。人類已經建造了一些大規模的科學儀器,或許可以用於對這些相互作用的探索。在arXiv的論文中,物理學家還對歐洲核子研究中心(CERN)的第二大粒子加速器——超級質子同步加速器(Super Proton Synchrotron,簡稱SPS) ——3年實驗的數據進行了分析。在實驗中,科學家對質子進行了撞擊,然後觀察所產生的所有新粒子。

在撞擊產生的“殘骸”中,研究人員發現了很多電子。在三年的時間裡,科學家計算出有超過200億個電子的能量在100Gev以上。因為電子是帶電粒子,並且傾向於彼此發生相互作用,所以實驗中的高能電子也產生了大量的光子。如果暗光子存在,而且它們有時會與普通光子相互作用,並從中竊取能量的話,就會在實驗中表現為缺乏光的缺失。

最終,數據分析並沒有尋找到暗光子存在的證據,所有的普通光子都存在並被計算在內。不過,這並不能完全排除暗光子的存在。如果暗光子確實存在,那麼它們的能量應該很低(根據實驗結果,它們的能量很可能小於1GeV),而且極少與普通光子發生相互作用。無論如何,對暗光子的研究依然會繼續。 (任天)

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