暗物質新候選人「超重重力微子」像砲彈,可從古老晶體中測出蹤跡

作者 | 發布日期 2019 年 09 月 02 日 18:58 | 分類 天文 , 自然科學 , 航太科技 Telegram share ! follow us in feedly


做為宇宙中不可見但確切發揮影響力的存在,科學家已提出不少暗物質候選人,比如微中子、大質量弱相互作用粒子。最近有科學家再提出了暗物質的新候選對象:超重重力微子(Superheavy gravitino),並且這種粒子質量非常大,如果它們存在,可以透過現有方法測出蹤跡。

我們的宇宙約由 26.8% 暗物質、68.3% 暗能量與 4% 我們熟知的常規物質所構成 ,與普通物質不同,暗物質不會吸收、反射或發光,它們的存在只透過重力效應顯現。

有關暗物質的基本粒子組成,科學家已經提出不少對象,比如最熱門的大質量弱相互作用粒子(weakly-interacting massive particle,WIMP)、最有希望的暗物質候選人微中子(Neutrino)、為解決 CP 守恆問題而提出的軸子(axion)、打破粒子物理標準模型的惰性微中子(sterile neutrino)、結合廣義相對論與超重力理論的重力微子(gravitino)等。

然而上述目前只有微中子已被探測到(但還不確定與暗物質的關聯),其餘都還是理論上的假想粒子;此外,這些粒子的大前提都是質量非常輕、不透過電磁力或強核力與常規物質互動。

但由馬克斯‧普朗克引力物理研究所所長 Hermann Nicolai、華沙大學理論物理學家 Krzysztof Meissner 等人提出的新暗物質候選對象「超重重力微子(Superheavy gravitino)」,不只質量很大,還會透過重力之外的其他力與一般物質相互作用,並且科學家確切描述了追蹤這種粒子的方法。

根據團隊計算,1 個超重重力微子的質量高達 0.02 毫克──比 1 個質子還要重千萬兆倍。由於質量很大,它們在宇宙中的分布相對分散,每 1 萬立方公里大概只有 1 顆超重重力微子,但就能解釋如今的暗物質效應。

如果超重重力微子確實存在,那麼地球本身就是一個天然巨型探測器,能映照出超重重力微子穿過的蛛絲馬跡。我們知道質量很輕的粒子能毫不費力地穿越一般物質,質量很重的粒子其實也可以,只是前者像是漁網捕捉不到的小魚苗,而後者則像一群蚊子擋不住的一顆砲彈。

在過去 45 億年裡,研究人員相信一定有不少超重重力微子穿過地球,它們會留下透過電磁力、強核力與常規物質相互作用後的痕跡,比如岩石中的電離軌道。

雖然超重重力微子的軌跡可能難以和其他粒子的路徑區分,但已知電離輻射會在晶體結構中引起晶格缺陷,Hermann Nicolai 表示,也許我們能從一些已維持數百萬年穩定狀態的古老晶體中,檢測出超重重力微子的行進軌跡。

研究團隊的 2 篇論文分別發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)與《物理評論 D》(Physical Review D)期刊。

(首圖來源:NASA

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