可能發現假想暗物質粒子「軸子」,關鍵為中子星集團的神祕過量輻射

作者 | 發布日期 2021 年 01 月 20 日 15:49 | 分類 天文 , 自然科學 , 航太科技 Telegram share ! follow us in feedly


粒子物理學家長期以來一直在尋找的假想暗物質粒子「軸子」,很可能就藏在「Magnificent Seven」這個中子星集團的過量 X 射線輻射中。

宇宙中有各種能組成普通物質的粒子,最常見的是質子、中子與電子,它們在某些環境下會相互碰撞,比如恆星內部或地球上的人造粒子加速器中。但宇宙中更多的是構成暗物質的不可見粒子,透過普朗克衛星數據得知,整個宇宙中常規物質僅占 4.9%,暗物質占了 26.8%,另外 68.3% 則為暗能量。

只不過暗物質不與電磁力產生作用,也就是說它們很少與其他粒子碰撞,只能透過重力效應略之一二,科學家認為暗物質可能是一種(或幾種)粒子物理標準模型以外的新粒子,幾種比較熱門的假想暗物質粒子有:軸子(axion,未探測到)、大質量弱交互作用粒子(WIMP,未探測到)以及微中子(Neutrino,已探測到)。

從理論與實驗來看,軸子一直是高能粒子物理學的主要尋找目標之一,科學家相信軸子可以存在宇宙任何地方,但它們與普通粒子的相互作用不強,因此我們至今都還沒有找到任何證據。

一個中子星集團出現過量 X 射線輻射

2019 年時,美國密西根大學團隊觀察到被暱稱為「絕地 7 武士(the Magnificent Seven)」的中子星集團中,X 射線輻射莫名其妙增加,如果這些中子星屬於脈衝星,應該會發出整個電磁波譜都能觀測到的輻射,且可能淹沒 X 射線特徵,但分析結果確認這些中子星都很「典型」,既不是脈衝星,更沒有發出無線電波。

研究人員試著對此作出各種解釋,比如這個中子星集團附近可能藏有其他天體,然而若是這樣,其他天體應該也會出現在 ESA 的 XMM-牛頓衛星或 NASA 的錢卓拉 X 射線望遠鏡數據中──但是沒有;此外,中子星發出的應是低能量 X 射線(軟 X 射線,註),但科學家觀測到的卻是硬 X 射線。

現在,由勞倫斯柏克萊國家實驗室領導的團隊針對此發現進一步提出推測,認為這些額外 X 射線很可能是由中子星核心所產生的軸子引起。

已知中子星表面的中子會經歷 β 衰變轉為電子、質子與微中子,不過根據理論,中子星核心的中子與質子碰撞可能產生軸子這種副產物,它們從核心被射出到外部強磁場並被轉換成光子,研究團隊認為,由於從軸子衰變的光子能量比其他光子還要多,可能因此導致中子星集團的 X 射線輻射出乎意料增加。

勞倫斯柏克萊國家科學家 Benjamin Safdi 表示,雖然還不敢說一定發現了軸子,但他們非常有信心過量 X 射線中一定有新東西,如果能確定新粒子,那將掀起物理學的巨大革命。

團隊接下來目標放在同樣具有強磁場的白矮星。如果也能在白矮星找到這種過量 X 射線,軸子存在其中的說法就會更加令人信服。新論文發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)。

註:在 X 射線中,波長短於 0.2~0.1 奈米的叫硬 X 射線,波長略大者稱為軟 X 射線。硬 X 射線與伽馬射線中波長較長的部分重疊,因此二者區別在於輻射源而不是波長:X 射線光子產生於高能電子加速,伽馬射線則來源於原子核衰變。

(首圖來源:pixabay

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