科學家提 3 個新方向,擴大暗物質搜索範圍

作者 | 發布日期 2019 年 06 月 22 日 9:39 | 分類 天文 , 尖端科技 , 自然科學 follow us in feedly


理論上,我們有各種構成暗物質的候選粒子,只是至今我們任何一種都沒發現。因此,有些科學家認為暗物質可能更「輕」、質量更低、能量更小,因此他們開始設計與以往不同的新實驗,準備在不同的質量與能量範圍探測暗物質粒子。

做為暗物質最有力的候選人之一,大質量弱相互作用粒子(Weakly interacting massive particles,WIMP)絕對不會缺席,這是一種只藉弱核力和引力產生相互作用的假想粒子,它們不參與電磁力作用,所以無法被直接探測;它們也不參與強核力作用,所以基本上也不跟普通物質發生相互作用;和普通粒子相比,WIMP 的質量稍微大了些,所以它們運動的速度也相對緩慢,因而能夠成團聚集,也就是暗物質團塊。

但是科學家找遍宇宙中預期 WIMP 會出現的地方,卻始終不見 WIMP 蹤跡,科學家只好開始將目光範圍延伸到質量較小的假想粒子,比如亞原子粒子「軸子(axion)」。

軸子的質量極小,只有 10−6到10−2eV(電子的五千億分之一~五千萬分之一),想要捕捉這麼小的粒子,目前針對大質量粒子設計的暗物質探測器勢必要重新設計,就好比你拿漁網捕魚,網格一定要比魚小才抓得到魚,此外科學家也要研擬新方法來尋找暗物質。

加州大學柏克萊分校理論物理學家 Kathryn Zurek,是提出低質量暗物質理論與探測這種粒子方法的先驅,過去 10 年,暗物質逐漸從邊緣研究成為主流研究領域,我們的探測器也越來越先進,最近 Kathryn Zurek 再提出搜尋低質量暗物質的 3 大新目標方向,相關小型實驗成本從 200 萬美元~1,500 萬美元不等。

第一個方向為利用能產生高能粒子束的加速器,去創造並檢測質量比質子還小的粒子,這些實驗可能有助於我們了解暗物質的起源,並探討其與普通物質的相互作用。

第二個方向為透過現有的超靈敏探測器,檢測質量比質子小 1 兆倍的銀河系暗物質粒子。

第三個方向則是利用超靈敏探測器檢測銀河系的暗物質波,尤其是所謂的 QCD 軸子(Quantum Chromodynamics,QCD)。不少技術與理論已經認同這種假想粒子的存在並成為暗物質候選人之一,它能幫助我們一撇早期宇宙樣貌與極高能量世界的法則,也可以幫助解釋將大多數物質綁在一起的強核力。

目前,研究人員正在開發利用液態氦(liquid helium)與砷化鎵(gallium arsenide)與低質量暗物質粒子相互作用的原型實驗,當然,除了液態氦和砷化鎵外,還有很多材料可以嘗試用來檢測暗物質粒子,不同的結構可以結合不同的暗物質,測試材料的選擇不必受限。

(首圖來源:pixabay

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