受《冰雪奇緣》電影啟發,物理學家認為可利用「過冷水」檢測暗物質

作者 | 發布日期 2019 年 04 月 18 日 16:58 | 分類 天文 , 自然科學 follow us in feedly

也許你有看過這種實驗影片:把一瓶水從冰箱裡拿出來,接著用力一晃竟然神奇的瞬間結冰。那不是魔術,而是「過冷水」。物理學家 Matthew M. Szydagis 在看了這些實驗影片、以及迪士尼電影《冰雪奇緣》後,從中想出過冷水的新特性:也許某些未知的暗物質粒子可與過冷水相互作用。

大部分人都知道水在 0℃ 時會結凍,但實際上沒有那麼簡單,如果嚴格控制某些條件,則液態水溫度可以低於攝氏零度(冰點)但不結冰,此時的水就稱為過冷水(supercooled water),為一種自然物理現象。通常,這種水為乾淨到不含塵埃雜質的純水,且裝水的容器乾淨平滑,缺少冰晶可依附的晶核。

所謂結冰其實是結晶過程,如果原本水中已存在結晶核,則低於標準熔點(對水而言稱為冰點)的水分子就會在核周圍形成結晶結構,依附在冰晶上,也就是結冰現象。但是有些水太潔淨,不含塵埃和雜質,容器也平滑無劃痕,水分子缺少晶核依附而無法結晶,於是即使溫度低於冰點(標準壓力下 0℃),水仍然會維持在液體狀態。

不過只要過冷水一受到某種形式的干擾,比如搖動、壓力改變、遇見結晶核等,就會瞬間凝結成冰,真實情景你可以從下方的實驗影片簡單瞧瞧。

▲ 影片 2:00 處,實驗人員把水從冰箱中拿出來,2:24 處,把水瓶用力一晃,水瞬間由上往下結冰。

現在,紐約州立大學奧爾巴尼分校物理系助理教授 Matthew M. Szydagis 團隊在顯微鏡觀察下證明,某些粒子在與過冷水水分子碰撞時,也可能引發過冷水凍結,這其中或許就包括難以捉摸的暗物質粒子。

在團隊實驗中,研究人員將水冷卻至 -20°C,接著用不同類型的粒子碰撞水分子,發現有一些粒子(比如中子)可觸發過冷水結凍,其他形式則不會(比如伽馬射線)。

這表明,也許未來,我們可以開發基於過冷水的新型暗物質探測器,科學家認為暗物質其實一直漂浮在我們身邊,但它們幾乎不與正常物質相互作用,以至於科學家找不到它們。如果一些假設的暗物質粒子如:微中子(已探測到)、大質量弱交互作用粒子(還是假想粒子)等碰巧會與過冷水分子相互作用、引起自發凍結,在排除其他形式的干擾下,或許就會是證實暗物質粒子存在的方法之一。

該團隊在 2019 年美國物理學會的會議上發表這項研究。

(首圖來源:pixabay