物理学又一次错过了一次与它的未来的长期约定。最新的、最敏感的对构成暗物质的粒子的研究没有发现任何结果。暗物质是一种不可见的物质,可能占宇宙质量的85%。这些难以捉摸的粒子被称为弱相互作用大质量粒子(WIMPs),可能只是比物理学家想象的更善于隐藏。或者,它们可能不存在,这就意味着,在我们试图理解宇宙的基础上,有些东西不幸出了差错。许多科学家仍然对寻找大质量弱相互作用粒子的实验的升级版能够找到它们抱有希望,但其他人正在重新审视长期以来被认为不太可能的暗物质概念。
今年夏天的第一个零结果来自于大型地下氙(LUX)实验,
杏耀娱乐平台怎么样,在南达科塔州布莱克山地下1.5公里深的一个巨大的装满水的容器中,三分之一公吨液态氙被保存在零下100摄氏度的低温下。在那里,研究人员花了一年多的时间寻找大质量弱相互作用粒子撞击氙核时所发出的闪光,因为这里没有受到大多数污染辐射源的影响。7月21日,他们宣布他们什么也没看到。
第二次令人失望的报告是8月5日来自有史以来最强大的粒子加速器:日内瓦附近的欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)。自2015年春季以来,LHC一直在通过以前所未有的高能量将质子以每秒10亿次的速度碰撞在一起,来追踪弱相互作用大质量粒子,这推动了粒子物理学的新领域。早些时候,两个研究小组在亚原子残骸中发现了一个明显的异常现象:质子碰撞产生的能量过剩,这暗示了可能由弱相互作用大质量粒子产生的新物理现象(或者,公平地说,许多额外的奇异可能性)。相反,当LHC撞击了更多的质子并收集了更多的数据时,这个异常消失了,这表明这只是一个统计上的巧合。
综上所述,这两个无效的结果对于暗物质来说是一把双刃剑。一方面,他们对大质量弱作用大质量粒子的合理质量和相互作用的新限制,为下一代探测器的计划提供了更好的成功机会。另一方面,他们已经排除了一些最简单和最珍贵的大质量弱相互作用粒子模型,这引发了新的担忧,杏耀的信誉即大质量弱相互作用粒子可能是寻找暗物质的几十年的弯路。
现任职于芝加哥大学的宇宙学家爱德华•“洛奇”•科尔布曾在上世纪70年代帮助奠定了寻找大质量弱相互作用粒子的基础,他宣称2010年代是“大质量弱相互作用粒子的十年”,但现在他承认,搜寻工作并没有按计划进行。“与五年前相比,我们现在对暗物质的了解更多了,”他说。科尔布指出,到目前为止,大多数理论学家的反应是“让成千上万的弱相互作用大质量粒子爆发”,创造出更加奇异和奇异的理论来解释这些理应无处不在的粒子是如何避开我们所有的探测器的。
理论家们寻找弱作用大质量粒子有两个相互交织的原因。首先,大质量弱相互作用大质量粒子是粒子物理学标准模型最流行的扩展的自然结果,该模型预测大爆炸后不久粒子的产生。第二,如果这样的原始大质量弱相互作用大质量粒子存在,直接的计算表明,它们现在的丰度和行为应该几乎完全符合从观测中推断出的暗物质的数量和质量。这种所谓的弱相互作用大质量粒子(WIMP)奇迹已经持续了几十年的研究,但现在一些理论家开始质疑它的有效性。
例如,2008年加州大学欧文分校的Jonathan Feng和Jason Kumar展示了一种被称为超对称的现象如何产生一种假设的粒子,这种粒子比wimp更轻,相互作用更弱。冯说:“这些粒子产生了和我们今天看到的一样多的暗物质,但它们不是弱相互作用大质量粒子。”“这打乱了苹果公司的计划,因为从理论上讲,它的动机是一样的。我们称之为无痘奇迹。”
腐烂的理论基础模型对于简单的混混,配上空手检测工作的越来越多,让冯和许多其他人建议WIMPs是一个更复杂的画面:一个隐藏域的宇宙充满了品种黑粒子相互作用通过一套黑暗力量,也许交换黑暗指控通过黑暗的光明。因为它们为理论学家提供了更多的变量,这样的“暗区”模型可以被调和,以适应新数据对暗物质施加的越来越严格的事实约束——但缺点是,这种不断扩展的灵活性使得它们很难被最终验证。
普林斯顿大学的天体物理学家David Spergel说:“有了暗部,你几乎可以自由地发明任何你想要的东西。”“既然我们已经失去了WIMP奇迹的指引,现有模型的空间是巨大的。这是一个我们不知道什么是正确选择的游乐场——我们现在需要更多来自大自然的关于下一步该去哪里的提示。”
一些物理学家根据自然的暗示,已经完全放弃了大质量弱相互作用粒子。例如,被称为中微子的幽灵粒子已知存在,并且有三种不同的口味。尽管这三种中微子的质量不足以解释暗物质的存在,但由于它们本身具有质量,因此它们有可能存在第四种中微子——一种所谓的惰性中微子。“几乎所有的中微子质量产生机制都需要无菌中微子的存在,而且其中一些无菌中微子很容易解释暗物质的存在,”加州大学欧文分校的理论家Kevork Abazajian说。
暗物质的另一个长期的黑马候选者是轴子, 杏耀娱乐生财 ,它是一种假想的弱相互作用粒子,于1977年首次提出,用来解释和解决量子相互作用中的神秘不对称。为了解释暗物质,轴子需要占据一个相对狭窄的质量范围,并且比弱相互作用大质量粒子要轻得多。“如果我们找不到弱相互作用大质量粒子,杏耀yl理论家们就会转而投注于轴子,”斯坦福大学物理学家彼得·格雷厄姆说。
除了大质量弱相互作用粒子和暗区、惰性中微子和轴子之外,暗物质还有更多奇特的可能性,尽管它们占据了物理学的边缘,包括“原始”黑洞、额外维度以及爱因斯坦的引力理论在某种程度上是错误的可能性。
不管他们更喜欢的候选者是什么,对于许多研究暗物质的物理学家来说,他们最大的担忧并不是这个概念最终会被认为是无效的或完全错误的——暗物质存在的观测证据是压倒性的。相反,他们担心暗物质的身份可能只是简单地被证明与物理学中其他伟大的奥秘无关,因此没有提供理解现实的真正本质的新途径。
麻省理工学院的物理学家Jesse Thaler说:“人们希望暗物质不仅存在,而且能解决标准模型的其他突出问题。”“并不是每一个新发现都能带来启示……后来的理论突然能更好地结合在一起。”有时新的粒子会让你说,‘谁下的命令?我们是生活在一个每一项发现都能带来更深刻、更基本的见解的宇宙中,还是生活在一个部分有规律、但另一部分没有的宇宙中?暗物质提供了两种可能性。”