科學家將暗物質的“重量”縮小了萬億倍
18 次觀看·2023年12月27日
科學家終於開始弄清楚暗物質——這種幾乎無法察覺的物質,據說能對所有東西產生牽引力,卻不發光——到底有多重。
這個新的估計有助於確定它的粒子有多重——這對於揭示這種神秘物質的本質有著重要的意義。
這項研究大大縮小了暗物質粒子的可能質量範圍,從之前估計的10^minus 24電子伏特(eV)和1019千兆電子伏特(GeV)之間,縮小到10minus 3 eV和10^7eV之間——這是一個比以前小了萬億萬倍的質量範圍。這一發現可能有助於暗物質獵人們將他們的努力集中在指示的粒子質量範圍上——或者他們可能揭示出宇宙中存在著一種以前未知的力量。
暗物質是什麼?據一些估計,暗物質佔據了宇宙中所有物質的83%。人們認為它只能通過引力與光和普通物質相互作用,這意味著它只能通過它彎曲光線的方式來被看到。
科學家終於開始弄清楚暗物質
這種幾乎無法察覺的物質
據說能對所有東西產生牽引力
卻不發光
到底有多重
這個新的估計有助於確定它的粒子有多重
這對於揭示這種神祕物質的本質
有着重要的意義
這項研究大大縮小了暗物質粒子的可能質量範圍
從之前估計的10-24電子伏特和1019千兆電子伏特之間
縮小到10-3e和17e之間
這是一個比以前小了萬億萬倍的質量範圍
這一發現可能有助於暗物質獵人們
將他們的努力集中在指示的粒子質量範圍上
或者他們可能揭示出宇宙中存在着一種以前未知的力量
暗物質是什麼
據一些估計
暗物質佔據了宇宙中所有物質的83%
人們認爲它只能通過引力與光和普通物質相互作用
這意味着它只能通過它彎曲光線的方式來被看到
天文學家在20世紀30年代觀測一個星系團時
發現了暗物質的第一個線索
而認爲星系是由暗物質的巨大光環穿過和環繞的理論
在20世紀70年代之後成爲主流
當時天文學家意識到
星系的旋轉速度
比它們所包含的可見物質所能說明的要快得多
暗物質的探測方法主要有三種
直接探測
間接探測和粒子對撞探測
直接探測是利用暗物質粒子與普通物質粒子的碰撞產生的信號
來尋找暗物質的存在
例如PandaX
Xenon和Lux等實驗
間接探測是利用暗物質粒子的湮滅或衰變產生的高能粒子或輻射
來尋找暗物質的存在
例如Fermilab
AMS和HESS等實驗
粒子對撞探測是利用加速器產生的高能粒子對撞
來產生或探測暗物質粒子
例如LHC
ILC和CEPC等計劃
暗物質粒子的可能候選者
包括幽靈般的微小粒子
稱爲中微子
理論上的冷暗物質粒子
稱爲軸子
以及被提出的弱相互作用的大質量粒子
或WIMPS
新的質量界限可能有助於排除其中的一些候選者
這取決於具體的暗物質模型的細節
Calmeter
科學家所知道的是
暗物質似乎只能通過引力與光和普通物質相互作用
而不是通過其他任何基本力
因此研究人員使用引力理論來得出暗物質粒子質量的估計範圍
重要的是
他們使用了來自量子引力理論的概念
這導致了一個比之前只使用愛因斯坦的廣義相對論的估計更窄的範圍
愛因斯坦的廣義相對論是基於經典物理學的
它完美地預測了引力在大多數情況下的工作方式
但是在量子力學效應變得顯著的極端情況下
它就會崩潰
比如在黑洞的中心
另一方面
量子引力理論試圖通過量子力學來解釋引力
而量子力學已經能夠描述其他三種已知的基本力
電磁力
使大多數物質聚合在一起的強力
以及導致放射性衰變的弱力
然而
目前還沒有任何量子引力理論有強有力的證據支持
物理學家們使用來自廣義相對論的值來估計暗物質粒子的質量下限
使用來自量子引力理論預測的暗物質粒子的壽命來估計上限
來自廣義相對論的值的性質也定義了上限的性質
所以他們能夠得出一個不依賴於任何特定的量子引力模型的預測
他說
這項研究發現
雖然量子引力效應通常幾乎可以忽略不計
但當一個假設的暗物質粒子需要非常長的時間才能衰變
以及當宇宙的年齡大約和現在一樣時
它們就變得重要起來
他說
物理學家以前估計暗物質粒子的質量必須比普朗克質量輕
大約是1.2乘以10的19次方GEV
至少比已知的最大的粒子重1000倍
但又必須比10-24EV重
才能符合對已知包含暗物質的最小星系的觀測
但他說
直到現在
很少有研究試圖縮小這個範圍
儘管在過去30年裏
人們在理解量子引力方面取得了很大的進展
人們以前根本沒有關注量子引力對暗物質的影響
暗物質的理論模型有很多
其中最流行的是超對稱理論
他認爲每種已知的粒子都有一個對應的超對稱粒子
其中一些可能是暗物質的候選者
例如中性子
超對稱理論還可以解釋宇宙中的其他一些謎團
例如引力和其他基本力的統一
以及物質和反物質的不對稱性
然而
目前還沒有實驗發現任何超對稱粒子的跡象
這使得超對稱理論面臨着嚴峻的挑戰
暗物質的另一個可能的理論框架是額外維度理論
他認爲除了我們所熟知的三個空間維度和一個時間維度之外
還有一些隱藏的維度
其中一些可能是暗物質的來源
額外維度理論也可以提供一種解釋引力和其他基本力的差異的方法
因爲引力可能是唯一一種能夠滲透到額外維度的力
而其他的力則被限制在我們所觀察到的維度上
額外維度理論的一個著名的例子是弦論
他認爲所有的粒子都是由不同振動模式的E維弦組成的
而弦的振動需要多於四個維度的空間來實現
暗物質的研究不僅對於理解宇宙的結構和演化有重要的意義
也對於探索物理學的基本規律和新的物理現象提供重要的啓示
暗物質的存在可能表明我們目前的物理理論是不完備的
需要引入新的概念和機制來描述它
暗物質的探測也可能爲我們揭示一些未知的自然力或粒子
從而拓展我們對於宇宙認知和能量的掌握
暗物質的研究還可能爲我們提供一些關於宇宙的起源和命運的線索
例如暗物質是否與暗能量有關
暗能量是否是導致宇宙加速膨脹的神祕力量
暗能量的本質也是一個未解之謎
它可能是一種均勻分佈在空間中的能量密度
也可能是一種與引力有關的新的動力學效應
或者是一種暗物質的特殊形式
暗能量的研究需要結合多種觀測手段
例如超新星、宇宙微波背景輻射、大尺度結構、引力透鏡等
來精確測量宇宙的幾何和動力學參數
從而揭示暗能量的性質和演化

