暗物質候選人「變色龍粒子」,CERN 軸子太陽望遠鏡搜索未果

作者 | 發布日期 2019 年 07 月 08 日 14:04 | 分類 天文 , 航太科技 Telegram share ! follow us in feedly


宇宙最大奧秘之一是為何它正在加速擴張,物理學家將之歸因於暗能量,並且提出各種暗物質粒子的候選人,其中一種較不為人知的稱為變色龍粒子(Chameleon particle)。現在,歐洲核子研究組織(CERN)團隊報告了搜尋變色龍粒子的第一份研究成果。

21 世紀最離奇的發現之一就是宇宙正在以越來越快的速度膨脹,我們沒有更好的術語可以形容,就暫且將這種推動宇宙膨脹的未知力量稱為暗能量。

目前,物理學家提出可能跟暗物質有關的粒子包括:軸子(Axion)、超軸子(Axino)、大質量弱相互作用粒子(WIMP)、惰性微中子(Sterile neutrino)、瞬子(instanton)、半自旋質量維度一費米子(mass dimension one fermions of spin one half)、暗光子(Dark photon)、黑洞子(Holeum)、變色龍粒子等,其中前 4 種粒子聲勢最高,吸引最多科學家投入研究。

而變色龍粒子由物理學家 Justin Khoury、Amanda Weltman 於 2004 年首度提出,就如其名,這種粒子是種能根據周圍環境改變自身狀態的假想奇異粒子,不過它們改變的不是顏色,而是質量。

在高密度區域(比如地球),變色龍粒子的質量很大,而我們知道在物理世界中,粒子和力是同一枚硬幣的兩面,所以此時變色龍粒子的基本力作用極微弱(小於 1 毫米);相反地,在低密度區域(比如星際空間)中,變色龍粒子質量會變非常小,但基本力作用極其強大,這種性質使變色龍粒子成為暗物質上等候選人──當然也跟變色龍一樣難搜索。

那我們真的完全沒辦法尋找變色龍粒子嗎?還是有機會。一種想法是變色龍粒子能與光子耦合,並且可被空心容器困住:當它們穿透壁面時,質量會急遽增加並反彈,因此科學家只要將光子引入空心腔室中,就能嘗試捕捉變色龍粒子的細微變化。

同時,變色龍粒子也可能由太陽產生,因此 CERN 一個研究小組決定利用 CERN 軸子太陽望遠鏡(CERN Axion Solar Telescope,CAST)尋找變色龍粒子,望遠鏡上安裝的 KWISP 薄膜探測器可以捕捉任何撞擊膜的變色龍粒子,第一批結果來自 2017 年 7 月為期 10 天(共 90 分鐘)的測試,遺憾的是:團隊未能發現任何變色龍粒子。

但是科學家不灰心,目前找不到並不代表粒子不存在(當然也可能真的不存在),但科學家可以透過這次實驗進一步限制出變色龍粒子的質量上限,讓未來的搜索範圍更精確。

新研究結果可從《ArXiv》網站閱讀。

(首圖來源:NASA

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