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暗物质的新模型

濮阳雯薇
导读 暗物质仍然是现代物理学最大的谜团之一。很明显,它必须存在,因为例如,没有暗物质,就无法解释星系的运动。但是在实验中从未有可能检测到...

暗物质仍然是现代物理学最大的谜团之一。很明显,它必须存在,因为例如,没有暗物质,就无法解释星系的运动。但是在实验中从未有可能检测到暗物质。

目前,有许多关于新实验的建议:他们的目标是通过探测介质的原子核成分(即质子和中子)的散射直接检测暗物质。

一组研究人员——密歇根大学的Robert McGehee和Aaron Pierce以及德国美因茨约翰内斯·古腾堡大学的Gilly Elor——现在提出了一种新的暗物质候选者:HYPER,或“HighlY Interactive ParticlE Relics”。

在HYPER模型中,在早期宇宙中暗物质形成一段时间后,它与正常物质相互作用的强度突然增加 - 一方面,这使得它今天有可能被检测到,同时可以解释暗物质的丰度。

暗物质领域的新多样性

由于寻找重暗物质粒子(或所谓的WIMPS)尚未取得成功,研究界正在寻找替代暗物质粒子,尤其是较轻的暗物质粒子。与此同时,人们通常预计暗区会发生相变 - 毕竟,在可见光扇区有几个,研究人员说。但以前的研究往往忽略了它们。

“对于一些计划中的实验希望获得的质量范围,还没有一个一致的暗物质模型。然而,我们的HYPER模型表明,相变实际上可以帮助使暗物质更容易被探测到,“JGU理论物理学博士后研究员Elor说。

一个合适的模型的挑战是:如果暗物质与正常物质的相互作用太强烈,那么它在早期宇宙中形成的(精确已知的)数量将太小,这与天体物理学的观测相矛盾。然而,如果它以恰到好处的数量产生,那么这种相互作用将太弱,无法在当今的实验中检测到暗物质。

“我们的核心思想,作为HYPER模型的基础,是相互作用突然改变一次 - 所以我们可以两全其美:适量的暗物质和大量的相互作用,这样我们就可以检测到它,”McGehee说。

这就是研究人员的设想:在粒子物理学中,相互作用通常由特定的粒子介导,即所谓的中介,暗物质与正常物质的相互作用也是如此。暗物质的形成及其通过该介质的探测功能,相互作用的强度取决于其质量:质量越大,相互作用越弱。

介质必须首先足够重,以便形成正确数量的暗物质,然后足够轻,以便完全可以检测到暗物质。解决方案:暗物质形成后出现相变,在此期间介质的质量突然减少。

“因此,一方面,暗物质的数量保持不变,另一方面,相互作用以这样的方式得到增强或加强,暗物质应该可以直接检测到,”皮尔斯说。

新模型几乎涵盖了计划实验的全部参数范围

“暗物质的HYPER模型能够覆盖新实验几乎可以访问的整个范围,”Elor说。

具体来说,研究小组首先考虑了介质介导的与原子核质子和中子相互作用的最大横截面与天体物理学观测和某些粒子物理学衰变一致。下一步是考虑是否存在表现出这种相互作用的暗物质模型。

“在这里,我们想出了相变的想法,”McGehee说。“然后我们计算了宇宙中存在的暗物质的数量,然后使用我们的计算模拟了相变。

有很多限制需要考虑,例如恒定数量的暗物质。

“在这里,我们必须系统地考虑并包括很多场景,例如,询问是否真的确定我们的调解人不会突然导致新的暗物质的形成,这当然不能,”埃洛说。“但最终,我们确信我们的HYPER模型是有效的。