寻觅暗物质粒子钻探升温,认知宇宙的新窗口

2019-11-14 18:31 来源:未知
暗物质轴子探测:认识宇宙的新窗口

搜寻暗物质粒子研讨升温 意在揭穿物管理学最大谜团之生龙活虎

前一年14月,探测宇宙开始的大器晚成段时代中性氢的21cm超Mini电磁辐射的EDGES实验组发表探测到了宇宙第一代恒星起头变成时的黎明先生时期(Cosmic Dawn,对应宇宙红移约17卡塔 尔(阿拉伯语:قطر‎相应的21cm 宇宙微波背景辐射吸取谱实信号。那是全人类历史上第一回探测到来自大自然黎明(英文名:lí míng卡塔 尔(英语:State of Qatar)时期的非能量信号,意义重大。但让人倍感纳闷的是,实验探测到的吸取功率信号幅度比规范宇宙学理论预测的可能最大幅面还大。于今截止,规范宇宙学模型得到了震天动地的打响,该辩解框架非常正确地讲明了宇宙空间的各类组织和天性。因而EDGES观测到的反常时域信号恐怕暗暗提示着将在翻开八个后ΛCDM宇宙学时期,而且或许为解开暗物质之谜提供一个新路线。那个意识暗暗提示了宇宙空间黎明(Liu Wei卡塔 尔(阿拉伯语:قطر‎时期中性氧气体的温度比正规宇宙学理论预期的更加冷(或光子背景温度比预料的越来越热卡塔 尔(英语:State of Qatar)。日常的话,升高级中学性氢气体的热度比较轻巧,但下降很难,因为降低中性氮气体的热度需求温度更低的暗物质来温度下跌,那对种种暗物质模型带来了远大的挑衅。近来超越八分之四暗物质模型难以自然地解释EDGES的结果,因为必需同不经常间知足当下粒子物理、天体物理、宇宙学及暗物质探测实验的汪洋限定。

■高宇 李闯 李田军

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EDGES发表的结果引发了多量追踪研讨。这段日子,中科院理论物理探讨所研讨员李田军及其合伙人建议应用生龙活虎种暗物质候选粒子——轴子来自然地表明这种难堪的冷却功效。相关商讨成果已公布于 《物理探究快报》(Phys. Rev. Lett. 121, 111301 。

近年来,美利坚合众国佐治亚Madison分校大学物教育学家完成了风华正茂项名叫ABRACADABRA(魔术师用语:见证神跡的时刻,简单的称呼为ABRA卡塔 尔(阿拉伯语:قطر‎的轴子搜寻技艺的先行测量检验。那项试验的目标是期待能探测到轴子型暗物质粒子。

图表来源:马克 Stone

轴子最早是为着表达StrongCP难点(即为啥在强相互影响中CP守恒卡塔 尔(阿拉伯语:قطر‎而引进的,是超过标准模型的新粒子。在含有轴子的专门的学业模型扩充中,引进了附加的总体UPQ对称性,该对称性在Peccei-Quinn能标(远超过QCD手征对称性破缺能标卡塔 尔(英语:State of Qatar)自发破缺,Goldstone 理论告诉大家该模型包蕴一个无品质的赝标高尔德stone玻色场,即轴子场。由于QCD眨眼间子效应(Instanton Effect卡塔 尔(英语:State of Qatar)破坏全部UPQ对称性,故此轴子场在QCD手征对称性破缺能标之下得到十分的小的身分。此外,源于超弦理论中二方式辩解称张量场的四维紧致化,在弦论中也不可防止的留存相符属性的粒子,那类粒子平时称为类轴子。

试验首席研究员、巴黎综合理历史高校物管理学教授Lindley 温斯洛说:“那是率先次有世间接探测这几个品质范围的轴子……作为暗物质,轴子只怕不会耳濡目染您的通常生活,但它们会影响宇宙的膨大和我们在夜空中看看的星系的演进。”

本报讯 对生机勃勃种被称得上轴子的细微粒子的物色这两天正值蒸蒸日上地实行。这种粒子或然构成了暗物质,而就是后世的重力阻止了星系的相煎何急。

轴子和类轴子(Axion-Like Particles卡塔 尔(阿拉伯语:قطر‎归属WISPs (Weakly Interaction Sub-eV Particles卡塔尔国,是黄金时代种非凡的暗物质粒子候选者。轴子暗物质在最先宇宙演变的非常时代可通过引力相互影响在Condensed Regime产生玻色-爱因Stan密集(Axion BEC卡塔尔,该凝聚态的量子特性使得中性氢气体与Axion的重力耦合得以进步。在那工作中,李田军及其合伙人就是利用了暗物质轴子的玻色-爱因Stan密集,在黎爱他美时前冷却中性气体氢,在这里进程中,轴子凝聚形成的大标准关联合放款大了这种冷却作用,因而,中性气体氢可以以风度翩翩种简单合理的办法被冷却,最后自然地解说了EDGES观测到的非平常信号。

ABRA实验现存的探测灵敏度弱于亚洲核子大旨已有个别太阳轴子窥远镜,下后生可畏阶段的试验灵敏度预计也远远达不到QCD轴子理论预感的耦合强度。

物医学家在三月9日出版的《物理研究快报》上告诉称,United States卡尔加里市Washington高校的轴子暗物质实验终于达到了探测轴子所需的灵敏度,前提是倘使它们确实构成了暗物质。

近些日子,轴子成为暗物质试验探测的多少个首要方向,粒子物理、天体物理与大自然学的穿插研讨也越加受关切。轴子是暗物质充足有期待的候选人,况兼探测Axion实验的花销也相对较有助于,使得大家提议了各样找寻轴子的实验方案,有的已开头进行了实验并获得根本的大意结果,举个例子CE奥德赛N的日光轴子千里镜CAST实验和华盛顿大学的ADMX等。有的正在布署个中,比如由CAST晋级的下一代IAXO实验,其它还大概有欧空局的EUCLID宇宙大口径巡天千里镜等。那几个实验都优质有恐怕考验轴子暗物质理论的参数空间。该职业预知的轴子品质范围是10-450meV和100-450meV,偏巧处于下一代轴子探测实验IAXO及EUCLID的灵敏度范围内,故能被现在的试验侦察。

温斯洛称,他们将三番四次运营试验,以实现越来越高的灵敏度,与此同期,他们也安插扩张尝试规模,希望能够探测到品质更轻的轴子。

然而,商量职员并不知道轴子的份量到底有多少,何况她们大概供给数年时间本领够扫描完恐怕的品质范围。

该专门的学业由理论物理研究所李田军、硕士后Nick休斯敦,暨南京高校学物理系副教师杨峤立,理论物理研究所大学子李自成,中科院国家天文台学士张欣同盟完毕。此研商是粒子物军事学、宇宙学与宇宙物理领域交叉合营的研商成果。

轴子是风度翩翩种超过专门的工作模型预见的赝标量基本粒子。最早由Peccei、Quinn、Weinberg、Wilczek等人提议,并由Wilczek命名。轴子源自于高能标的对称性破缺,能够缓慢解决量子色引力学的疑难难点和中子电偶极矩的Mini调治难点。

轴子是生龙活虎种若是的粒子,它于41年前被地教育学家建议,用来消除强核力理论中的一个题目。强核力将被喻为夸克的粒子构成在联合,进而形成了质子和中子。

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国际上的别样主流轴子探测好些个聚集于微电子伏特,如由Sikivie等人提出,现投身Washington高校的高精度微波共振腔实验ADMX。

可是,轴子或然全部双重效果,即同一时候还可供暗物质使用——宇宙论切磋展现,暗物质占全部物质的85%。

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耶路撒冷希伯来州立高校讨论物管理学家们提议了ABRA实验方案,用于探测更低质量的纳电子伏的轴子。二〇一八年,加州圣地亚哥分校大学的物翻译家温斯洛团队实行了这一个试验的第一遍试运作,在当下二月至10月里面不停取样。

到前段时间甘休,暗物质唯有通过它的引力揭穿其自身,所以物文学切磋的最大谜团之风度翩翩正是结合暗物质的粒子到底是何等。

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粒子物理的标准模型是人类认知自然的伟大败利,不过,众多迹象证明那生机勃勃规范模型并缺损。除不能够解释暗物质、暗能量等天管理学和大自然学上的意识之外,规范模型本人也会有局地主题材料。

如若暗物质由漂浮在方圆的轴子组成,那么从理论上说,物经济学家应该能力所能达到用一个十足苍劲的磁场以至豆蔻梢头部特别利索的电唱机发射器探测到它们。

图:满意EDGES实验结果的轴子的参数空间范围:(上航海用体育场所是Axion-Like Particles对应的参数空间,下图是QCD Axion对应的参数空间,及其实验约束和 IAXO 的视察卡塔 尔(阿拉伯语:قطر‎。

物农学的进步历史申明,理论自个儿的内需是通往新物理的必定要经过的道路。轴子源点于规范模型中量子色重力学解释自身理论疑难的急需,同期又有什么不可对宇宙中的暗物质加以合理表明。因而,轴子的提议既是评论本人的急需,同一时候又足以分解暗物质的观赛结果。故轴子在物质的骨干相互作用和宇宙源点与衍生和变化两大科学难题方向上都独具重大要义。

磁场会把轴子调换到光子,何况轴子的份量超轻,因而那几个光子的晶体管收音机频率将会相当低,并且应当在多少个特种的频率上提供超微弱的有线电波。

更有意思的是,相符轴子的粒子广泛存在于高时间和三维的理论中,如超弦理论。由此,轴子也是开发普朗克能标物理的一个窗口。但是,轴子的申辩品质范围特别广阔,最轻的模型能够小到Witten等人提出的zepto电子伏特(纳电子伏特的万亿分之生龙活虎卡塔尔国,而量子色重力学模型则倾向于微电子伏特。

在物教育学家的那项新商量成果中,ADMX的钻研职员在2.66微电子伏特到2.82MeV(大概是电子品质的20百万兆分之大器晚成卡塔尔的约束内解除了轴子存在的也许性。

脚下地工学家们尚不能够鲜明轴子的现实性质量,由于它们与通常物质的耦合极度弱,那给实验探测带给了挑衅。不过如若能够在尝试上证实轴子或类轴子的留存,则会让咱们的根底理论向着物管理学终极难点提升一大步。

物经济学家以为,要是暗物质唯有是由轴子组成的,那么这种粒子的身分必得在1MeV和100MeV之间。因而,ADMX的商讨职员以往将把她们精心设计的有线电天线的频率尽恐怕地向上进级——调至大概40MeV。

重力波的发掘为全人类展开了认知宇宙的崭新窗口,暗物质轴子的探测是还是不是能够展开另意气风发扇窗?我们静观其变!

轴子是粒子物理与大自然粒子物理和密集态物理预知“存在”的大器晚成种亚原子粒子,是正负电子对撞后的后生可畏种“次级”粒子,是在玻色子能级的“衍射+辐射”能量错失“逃逸”的极化新粒子。轴子粒子以意气风发种能量轴线延“生机勃勃维度时间空间”做线性跃迁角动量运动。

(作者单位:中科院高能所、中科院理论物理研商所卡塔尔国

暗物质是理论上提议的大概存在于宇宙中的生龙活虎种不可以知道的物质,它恐怕是大自然物质的严重性组成都部队分,但又不归属整合可以见到天体的别样意气风发种这段日子已知的物质。

《中中原人民共和国科学报》 (2019-05-07 第8版 搜求意识)

恢宏天管理学观测中发觉的疑似违反Newton万有引力的现象能够在借使暗物质存在的前提下获得很好的演说。今世天法学通过天体的活动、重力透镜效应、宇宙的大规格结构的产生、微波背景辐射等观望结果申明暗物质大概多量存在于星系、星团及宇宙中,其品质远超过宇宙中总体凸现天体的质感总和。结合宇宙中微波背景辐射各向异性观测和正规宇宙学模型可明显宇宙中暗物质占总体物质总品质的85%。

《中华夏族民共和国科学报》 (2018-04-11 第2版 国际)

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