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申博真人优惠:科学家正在寻找暗光子:维持宇宙的“第五种力”

2019-09-26 10:30:01 来源:新浪科技 作者:任天 编辑:Noir 浏览:loading
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  物理学家正在寻找一只“看不见的手”,它塑造了我们的宇宙以及其中无数的星系。具体而言,物理学家正在各种天体的背后寻找所谓的暗光子,这种神秘的物质似乎可以传递一种以前未知的自然力,科学家认为,正是暗光子调节着常规物质和暗物质之间的相互作用。

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  那么,这种自然力为何能对我们隐藏如此之久?长期以来,科学家已经知道,自然界存在着4种已知的力,它们拉扯、挤压和撕裂着常规物质,形成我们现在看到的一切。这4种已知的相互作用构成了我们日常生活的基石,它们分别是:将原子核结合在一起,但距离很短的强核力;神秘而又微弱的弱核力,控制着放射性衰变,并能对被称为中微子的亚原子粒子产生作用;在我们生活中影响巨大的电磁力;以及微妙的引力,它在4种已知力中最弱的,却又是作用范围最大的。

  利用这4种基本力,物理学家可以描绘出亚原子和宏观世界。任何相互作用都离不开这4种力。然而,在我们的宇宙中,特别是在最大的尺度上,关于相互作用的谜团仍然很多。当我们缩小到星系或更小的尺度时,一些难以解释的事情发生了,科学家将这种难以解释的现象命名为暗物质。

  暗物质是简单纯粹的呢,还是隐藏着某种未知的力量?现在,一个由国际物理学家团队试图解答这一问题,他们的研究结果发表在近期的预印本网站arXiv上。研究人员使用大型强子对撞机(LHC)的数据转储来寻找这种可能的基本作用力。目前,搜索结果仍然一无所获。这在某种程度上其实是好事,因为这意味着我们已知的物理定律仍然成立。只不过,我们仍然无法解释暗物质。

迷失在黑暗中

  暗物质是一种假想的物质形式,据估计占宇宙总质量的80%左右。我们不知道是什么这些额外的无形物质是怎么产生的,但我们知道其存在,最大的线索来自引力。通过研究星系内恒星的运动和星团内星系的运动,以及宇宙中大尺度结构的演化,天文学家几乎一致得出了这样的结论:宇宙中存在着比可见物质更多的东西。

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  暗物质或许更应该被称为“隐形物质”,因为暗物质根本不与光相互作用,我们只能通过引力效应来推断其存在。如果暗物质能与光相互作用,或者说,如果暗物质与光的相互作用方式与常规物质相同的话,我们现在应该已经看到了这种神秘的物质。但就目前所知,暗物质既不吸收光,也不反射、折射、散射或发射光。对于暗物质,光只是不受欢迎的角色;它甚至可能不存在。

  因此,现在很有可能有大量的暗物质粒子正在穿过你的身体。这些粒子流无穷无尽,其组合起来的质量可以通过引力的影响塑造星系的命运,但另一方面,它甚至不会与常规物质发生任何作用。

光的引入

  由于我们不知道暗物质由什么构成,因此可以自由地想象各种各样的场景。在最简单的描绘中,暗物质无比庞大,是宇宙的基本组成。是的,暗物质构成了宇宙质量的绝大部分,但它只由数量无比丰富的单一粒子组成,除了拥有质量之外没有其他意义。这意味着,暗物质可以通过引力效应为人所知,但除此之外,它不会通过任何其他力与常规物质相互作用。因此,我们永远也看不到暗物质在做别的事情。

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  想象的场景更有趣。当理论物理学家感到无聊的时候,他们就会为暗物质可能是什么,以及更重要的是,我们如何才能探测到暗物质,做出一些猜想。一个有趣的暗物质理论认为,暗物质偶尔可以通过弱核力与常规物质相互作用。这个想法激发了当今世界各地的暗物质实验和探测器。

  但是,这个理论仍然假设自然界中仍然只有4种基本作用力。如果暗物质是一种前所未见的粒子,那么我们完全有理由认为,它很可能具有一种(或者更多)以前未知的自然力,谁知道呢?这种潜在的力可能会让暗物质只与暗物质相互作用,也可能会让暗物质与暗能量纠缠在一起,还可能在宇宙的常规物质和隐形部分之间开辟一条新的“沟通”渠道。

暗光子的“崛起”

  还有一个理论提出,光与暗物质(以及暗能量)之间的交流是通过所谓的“暗光子”,类似于我们熟悉的电磁力光子。我们不能直接看到或闻到暗光子,但它们可能会与我们所见的世界融合。根据该理论,暗物质会发射出暗光子,这是一种质量相对较大的粒子。这意味着,它们只在短时间内产生影响,与普通的光子大不相同。然而,有时一个暗光子可以与一个普通光子相互作用,改变后者的能量和轨道。

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  这是非常罕见的事件,否则,我们早就会注意到由此产生的电磁学现象了。因此,即使有暗光子,我们也不能直接看到暗物质,但我们可以通过检测电磁相互作用来嗅出暗光子的存在。一个暗光子可以通过与普通光子的相互作用来“窃取”能量。

  但正如前文所说的,这需要大量的相互作用。人类已经建造了一些大规模的科学仪器,或许可以用于对这些相互作用的探索。在arXiv的论文中,物理学家还对欧洲核子研究中心(CERN)的第二大粒子加速器——超级质子同步加速器(Super Proton Synchrotron,简称SPS) ——3年实验的数据进行了分析。在实验中,科学家对质子进行了撞击,然后观察所产生的所有新粒子。

  在撞击产生的“残骸”中,研究人员发现了很多电子。在三年的时间里,科学家计算出有超过200亿个电子的能量在100Gev以上。因为电子是带电粒子,并且倾向于彼此发生相互作用,所以实验中的高能电子也产生了大量的光子。如果暗光子存在,而且它们有时会与普通光子相互作用,并从中窃取能量的话,就会在实验中表现为缺乏光的缺失。

  最终,数据分析并没有寻找到暗光子存在的证据,所有的普通光子都存在并被计算在内。不过,这并不能完全排除暗光子的存在。如果暗光子确实存在,那么它们的能量应该很低(根据实验结果,它们的能量很可能小于1GeV),而且极少与普通光子发生相互作用。无论如何,对暗光子的研究依然会继续。

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