WIMPs已「碰壁」? 暗物質或是「奇異的液體」

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【大紀元2018年12月31日訊】(大紀元記者張妮編譯報導)經過多年、多國捕捉暗物質粒子的努力仍一無所獲後,物理學家們坦誠表示:他們不知道暗物質到底是由甚麼東西組成的。

耶魯大學物理學家Reina Maruyama對《連線》(Wired)雜誌說:「我們都如『丈二和尚摸不著頭腦』。」

宇宙中「暗物質」一定存在 占比逾80%

華盛頓大學物理學家Gray Rybka說:「我們感覺80%(的暗物質)是一種物質,20%是另一種物質。」

透過望遠鏡,研究者們得到了大量「暗物質」存在的證據。所有可觀測到的星系的轉速都如此之快,如果裡面只有可見的這些物質量,按照引力公式,這些星系會分崩離析的。因此流行的理論認為,一定有某種大量不為我們所見、所知的物質——他們稱其為暗物質——維護著星系在高速旋轉狀態下的完整。

從觀測情況來看,暗物質可能是一種像「棉花球」一樣較為鬆散的東西——暗物質研究組COSINE-100的合作研究員Maruyama說。

按照前面提到的星系旋轉速度和可見的物質量,科學家們估計宇宙中暗物質的比例高達85%,人類生活的小小的這顆地球也在其中。

唯一「確鑿」信號也遭質疑

然而儘管各國科學家在世界各地搭建了很多個暗物質探測器,目前只有意大利名為DAMA的探測器宣稱獲得了地球上存在暗物質的證據,「其它實驗得到了一點點跡象,DAMA是唯一一個得到強烈信號的實驗。」與DAMA實驗組沒有關聯的同行Maruyama說。

在過去二十多年間,DAMA不斷得到一種信號,今年6月達到巔峰,12月衰弱。科學家們認為這個信號顯示著,根據地球在軌道上不同的地點,暗物質以不同的速率襲擊地球,這與科學家的理論估計相符。

除此之外,尋找暗物質的工作沒得到其它信號了。今年,數台探測器一無所獲。連DAMA的結果也遭到某些質疑:Maruyama所在的研究團隊,造了一台DAMA的複製體置於韓國,也一無所獲。

WIMPs過時了?

這些探測器尋找的都是一種稱為「大質量弱相互作用粒子」(WIMPs),是科學家們認為的暗物質中的一種。這種粒子約是電子質量的100萬倍。

一些物理學家開始對這種粒子的探尋感到失望了。

現在是加州大學伯克利分校(University of California, Berkeley)天文物理學家的Miguel Zumalacarregui說,十年前他還在讀博士的時候,物理界就說「即將」會找到WIMPs,但直到現在也沒有突破。

探測「軸子」的嚐試

Rybka也是持這種觀點的學者之一。他參與一個尋找另一種暗物質粒子的實驗項目——軸子暗物質實驗(Axion Dark Matter Experiment)。據信這種粒子質量只有電子的10億分之一。今年4月,該項目組宣佈他們完成了關鍵的技術調整,他們的儀器足夠敏感可以探測到軸子。

Rybka介紹說,他們的軸子探測器就像一台收音機一樣,裡面有強性磁鐵能把進入的軸子轉化為無線電波。「由於我們不知道軸子的確切質量,我們不知道要調到甚麼頻率。所以我們不斷微調收聽的頻率,多數時候聽到的只是雜音,但是希望有一天,我們會調到正確的頻率,聽到純淨的音調。」

Rybka把研究方向放在軸子上還有另一個原因,因為對軸子的研究還能解決另外一個物理界的難題:夸克究竟是如何結合在一起形成原子核。

試試排除法

在Rybka的團隊在地球上致力尋找軸子的時候,其它天文學家向天上尋找答案。在10月發表的一份研究裡,Zumalacarregui否定了一個理論的可能性:暗物質主要由黑洞構成。

他們分析了過去二十多年來對超新星的觀測數據後得出這一結論。

當超新星經過黑洞的背面時,黑洞的引力將彎曲超新星的光線使其看起來更亮。這種光越亮,說明黑洞越大。於是他們把成百上千個超新星的亮度數據彙集成圖表,算出,所有至少為太陽百分之一大小的黑洞只能累計最多達40%的暗物質,不可能再多了。

牛津大學天文學家Jamie Farnes說:「我們到了一個最好的理論都不可行的狀況了。很明顯我們需要新的理論。我們對宇宙的認知缺乏關鍵的東西。」

暗物質或是「奇異的液體」?

Farnes在12月發表的論文中就提出了一種新的構想——暗物質可能是一種奇異的液體,如果你推向它,它反而會朝你過來。

他用這種理論建了一個模型,正好能解釋宇宙為何在擴張這個物理界的又一個謎題。他很謹慎表示,這個理論還在構想階段,尚未知是否與以前望遠鏡觀測的數據、暗物質實驗的結果一致。

Maruyama說,位於韓國的DAMA複製品的一無所獲只能證明人類可能要放棄常規理論WIMPs粒子的設想,說不定得去尋找相近的某種粒子。

Farnes說,不管理論是否「時髦」,人類仍需不懈地努力協作不斷調整對宇宙的認知。◇

責任編輯:朱涵儒

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