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2021-10-26 11:10

一种暗物质候选物质一直隐藏在我们的视野中

An image of a CERN telescope

宇宙中大约85%的质量都不见了——我们可以推断出它的存在,只是我们看不见而已。多年来,人们对这种“暗物质”提出了许多不同的解释,从未被发现的粒子到黑洞。然而,有一种想法正重新引起人们的注意:轴突。研究人员正转向天空来追踪它。

轴子是假设的轻粒子,它的存在将解决两个主要问题。第一个问题是自20世纪60年代以来备受关注的强电荷宇称(CP)问题,即构成质子和中子的夸克和胶子为何遵循某种对称性。轴子将表明这是一个看不见的场。

第二种是暗物质。轴子“是极好的暗物质候选者”,加拿大滑铁卢周界理论物理研究所的理论物理学家Asimina Arvanitaki说。轴子会以我们期望的暗物质的方式聚集在一起,而且它们有正确的属性来解释为什么它们如此难找到——也就是说,它们非常轻,不愿与普通物质相互作用。

今年早些时候,一组科学家报告说,他们可能发现了中子星产生轴子的证据。中子星是一种密度极高的坍缩恒星,一个比一粒沙粒稍大一点的样本,其重量就相当于一艘航空母舰。自20世纪80年代以来,物理学家一直认为,如果轴子确实存在,它们应该是在中子星的热核中产生的,在那里,中子和质子以高能量相互碰撞。

轴子的质量应该是电子的数十亿倍,这样它们就能从密度很大的中子星的内部逃到太空中去。在这里,它们会遇到中子星极强的磁场。在如此强的磁场存在下,预计轴子会变成普通的光子或光粒子。(这一性质构成了地球上轴子搜索的基础,比如轴子暗物质实验,它使用强大的磁铁试图发现活动中的转换。)穿越中子星磁场的轴子会转变成x射线光子。

然而,这些x射线很难被发现。大多数已知的中子星都是快速旋转的脉冲星,它们释放出大量的x射线——不需要轴子。这就是为什么这项新研究专注于我们银河系中被称为“壮丽七颗”的一组七颗中子星,之所以这么命名,是因为它们是已知的唯一转速不快的中子星。“它们是你能想象到的最乏味的中子星,”本杰明·萨夫迪(Benjamin Safdi)说,他是加州大学伯克利分校的物理学家,也是这项研究的合著者。“他们只是坐在那里。”

在发表在《物理评论快报》上的这项研究中,Safdi和他的同事们认为,除了一颗中子星外,其他所有中子星都显示出了过量的高能x射线,“这可能可以用轴子的存在来解释,”Safdi说。该团队并没有宣布一个明确的发现,而是强调了进一步调查的差异。

然而,在太空中寻找打破范式的发现证据的麻烦在于,与地球上的超清洁实验室不同,太空中有很多事情正在发生。我们可能只是在观察一些与轴子无关的其他天体物理过程,或者多余的x射线信号可能根本就不存在。Safdi的团队计划用额外的仪器进一步研究这一问题,比如NASA的NuSTAR x射线望远镜,它可以观测到比其他太空望远镜所能看到的更高能量的x射线。“通过观察这些高能x射线,我们可以分离出轴子的潜在信号,”Safdi说。

其他的轴子搜索使用的是我们的太阳,预计它会在内部产生轴子,然后流入太空。位于瑞士的欧洲核子研究中心(CERN)进行了一项长期的实验,名为轴子太阳望远镜(CAST),将一个10米长的超导磁体对准太阳。磁铁会把任何进入的轴子变成x射线光子,然后被放置在磁铁后端的探测器捕捉到。

CAST还没有发现任何轴子,但它的结果,就像正在进行的其他搜索一样,提供了轴子特性的有用限制,比如轴子何时可能变成光子。CAST的继任者已经开始工作,他们将使用更大、更强的磁铁。到2024年,位于德国一个名为DESY的加速器中心的婴儿国际轴子天文台(BabyIAXO)将启动。它的灵敏度将是CAST的100倍,并将作为IAXO全面试验的先驱,CAST的领导者之一Igor Irastorza说,这将是“又一个更好的100倍”。

研究人员也在探索间接的方法来发现太空中轴子的影响。一些白矮星——像我们的太阳一样耗尽了燃料的恒星核心的残余部分——冷却速度似乎比预期的要快。一种可能是轴子带着能量逃离了死亡的恒星。Irastorza说:“如果这颗恒星上有轴子在消耗能量,那么这种快速冷却正是人们所期望的。”(然而,目前还无法确定两者之间的联系。)在其他地方,黑洞被吹捧为主要实验室调查的存在就可以通过寻找的过程被称为“超辐射,”现象,轻量级的颗粒物axions-could缓慢旋转的黑洞10到90%导致它失去能量和角动量。华盛顿大学的粒子物理学家Masha Baryakhtar说:“如果你看到一个快速旋转的黑洞,你就知道这个过程并没有发生。”但是如果我们可以测量足够多的黑洞的质量和自旋,比如LIGO和室女座引力波探测器,我们就可以开始寻找模式,“如果有轴子的话,它们应该是什么样子,”Baryakhtar说。

随着轴子逐渐成为最诱人的暗物质候选者之一,研究人员想出了更加复杂的方法来寻找一缕甚至可能不存在的粒子。“这个领域正在爆炸,”Arvanitaki说。麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的粒子物理学家杰西·塞勒(Jesse Thaler)说,尽管在地球上的搜索“没有看到任何值得注意的东西”,但向上搜索可能是追踪它们最有希望的方法。Thaler说:“因为轴子或其他类似暗物质的粒子相互作用非常微弱,你需要在某个地方找到一个很大的数字,让它达到你可以看到的程度。”“你能想到的最大的数字之一就是利用整个宇宙作为一个探测器。”