暗物质的研究论文

宇宙中超过 80% 的物质是由科学家从未见过的物质组成的。它被称为暗物质，我们只是假设它存在，因为没有它，恒星、行星和星系的行为根本就没有意义。这是我们所知道的，或者更确切地说，是我们认为我们知道的。 什么是暗物质，为什么它是不可见的？ 暗物质是完全看不见的。它不发射光或能量，因此不能被传统的传感器和检测器检测到。科学家们认为，其难以捉摸的本质的关键必须在于它的成分。 可见物质，也称为重子物质，由重子组成——重子是质子、中子和电子等亚原子粒子的总称。科学家们只是推测暗物质是由什么构成的。它可以由重子组成，但也可以是非重子，这意味着由不同类型的粒子组成。 大多数科学家认为暗物质是由重子物质组成的。主要候选者 WIMPS（弱相互作用的大质量粒子）被认为具有质子质量的十到一百倍，但它们与“正常”物质的弱相互作用使它们难以被发现。中微子是比中微子更重、更慢的巨大假设粒子，是最重要的候选者，尽管它们尚未被发现。 无菌中微子是另一个候选者。中微子是不构成常规物质的粒子。一条来自太阳的中微子河流，但由于它们很少与正常物质相互作用，它们穿过地球及其居民。 已知有三种中微子；第四种，无菌中微子，被提议作为暗物质候选者。无菌中微子只能通过重力与常规物质相互作用。 密歇根州立大学物理学和天文学副教授、南极洲冰立方中微子天文台的合作者泰斯·德扬告诉太空：“一个悬而未决的问题是，进入每个中微子种类的分数是否存在模式。” .com。 较小的中性轴子和不带电的光子——都是理论粒子——也是暗物质的潜在占位符。 还有反物质这种东西，和暗物质不一样。反物质由与可见物质粒子基本相同但电荷相反的粒子组成。这些粒子称为反质子和正电子（或反电子）。当反粒子遇到粒子时，会发生爆炸，导致两种物质相互抵消。因为我们生活在一个由物质构成的宇宙中，很明显周围没有那么多反物质，否则就什么都没有了。与暗物质不同，物理学家实际上可以在他们的实验室中制造反物质。 但如果我们看不到暗物质，我们怎么知道它的存在呢？答案是重力，由物质构成的物体所施加的力与其质量成正比。自 1920 年代以来，天文学家就假设宇宙必须包含比我们所能看到的更多的物质，因为似乎在宇宙中发挥作用的引力似乎比仅可见物质所能解释的要强。 天文学家在 1970 年代检查螺旋星系时预计会看到中心的物质比外缘移动得更快。相反，他们发现两个位置的恒星以相同的速度行进，这表明星系包含的质量比可见的要多。 对椭圆星系内气体的研究也表明，需要比可见物体更多的质量。如果星系团所包含的唯一质量是常规天文测量可见的质量，它们就会飞散。 不同的星系似乎包含不同数量的暗物质。2016 年前，范多库姆领导的一个团队发现了一个名为蜻蜓 44的星系，它似乎几乎完全由暗物质组成。另一方面，自 2018 年以来，天文学家发现了几个似乎完全没有暗物质的星系。 引力不仅影响星系中恒星的轨道，还影响光的轨迹。著名物理学家阿尔伯特·爱因斯坦在 20 世纪初表明，宇宙中的大质量物体由于其引力而弯曲和扭曲光。这种现象称为引力透镜。通过研究光是如何被星系团扭曲的，天文学家已经能够绘制出宇宙中暗物质的地图。 今天，绝大多数天文学界都承认暗物质的存在。 尽管所有证据都指向暗物质的存在，但也有可能根本不存在这样的东西，并且描述太阳系内物体运动的万有引力定律需要修改。 暗物质似乎以网络状分布在整个宇宙中，在纤维相交的节点处形成了星系团。通过验证引力在我们太阳系内外的作用相同，研究人员为暗物质和暗能量的存在提供了额外的证据。 暗物质从何而来？ 暗物质似乎以网状分布在整个宇宙中，在纤维相交的节点处形成了星系团。通过验证太阳系内外的引力作用相同，研究人员为暗物质的存在提供了额外的证据。（事情甚至更复杂，因为除了暗物质之外，似乎还有暗能量，这是一种无形的力量，负责对抗重力的宇宙膨胀。） 但是暗物质从何而来？显而易见的答案是我们不知道。但还是有一些理论。2021 年 12 月发表在《天体物理学杂志》上的一项研究认为，暗物质可能集中在黑洞中，黑洞是通往虚无的强大大门，由于它们的极端引力，它们会吞噬附近的一切。因此，暗物质将与我们今天所看到的宇宙的所有其他构成元素一起 在大爆炸中产生。 白矮星和中子星等恒星残骸也被认为含有大量暗物质，所谓的自有矮星也是如此，这些失败的恒星没有积累足够的物质来启动核聚变. 科学家如何研究暗物质？ 既然我们看不到暗物质，那我们真的可以研究它吗？有两种方法可以更多地了解这个神秘的东西。天文学家通过观察宇宙中物质的聚集和物体的运动来研究宇宙中暗物质的分布。另一方面，粒子物理学家正在寻求探测构成暗物质的基本粒子。 安装在国际空间站上的一项名为阿尔法磁谱仪(AMS) 实验可以检测宇宙射线中的反物质。自 2011 一直以来，它已被超过 1000 亿条宇宙射线击中，为了解穿越宇宙的粒子组成提供了迷人的见解。 “我们测量了过量的正电子（电子的反物质对应物），这种过量可能来自暗物质，”AMS 首席科学家、麻省理工学院诺贝尔奖获得者 Samuel Ting 告诉 。“但目前，我们仍然需要更多数据来确保它来自暗物质，而不是来自一些奇怪的天体物理学来源。这将需要我们再运行几年。” 回到地球上，在意大利的一座山下，LNGS 的 XENON1T正在寻找 WIMP 与氙原子碰撞后的相互作用迹象。 位于南达科他州金矿的大型地下氙暗物质实验(LUX) 也一直在寻找 WIMP 有相互作用的迹象。但到目前为止，该仪器还没有揭示出什么神秘的物质。 IceCube中微子天文台是一个埋在南极冰冻表面下的实验，正在寻找假设的无菌中微子。无菌中微子仅通过重力与常规物质相互作用，使其成为暗物质的有力候选者。 旨在探测难以捉摸的暗物质粒子的实验也在瑞士欧洲核研究组织(CERN) 的强大粒子对撞机中进行。 几个绕地球运行的望远镜正在寻找暗物质的影响。欧洲航天局的普朗克航天器于 2013 年退役，在拉格朗日点2（绕太阳轨道上的一个点，航天器相对于地球保持稳定位置）工作了四年，绘制了宇宙微波背景的分布图，宇宙大爆炸的遗物。这种微波背景分布的不规则性揭示了暗物质分布的线索。 2014 年，美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜在伽马射线光下绘制了我们银河系中心的地图，揭示了从其核心延伸出的过量伽马射线辐射。 “我们发现的信号无法用目前提出的替代方案来解释，并且与非常简单的暗物质模型的预测非常一致，”主要作者、伊利诺伊州费米实验室的天体物理学家 Dan Hooper 告诉 。 研究人员说，过量可以通过质量在 31 到 400 亿电子伏特之间的暗物质粒子的湮灭来解释。结果本身不足以被认为是暗物质的确凿证据。需要来自其他观测项目或直接探测实验的额外数据来验证解释。 经过 30 年的发展，于 2021 年 12 月 25 日发射的詹姆斯韦伯太空望远镜预计也将有助于寻找难以捉摸的物质。世纪望远镜的红外眼睛可以看到时间的开始，无法直接看到暗物质，但通过观察宇宙最初阶段以来的星系演化，有望提供见解这在以前是不可能的。

暗物质，约占宇宙质量 85% 的物质。不发光，不容易被检测到。它的属性也仍然相当模糊。 现在，加州大学河滨分校的理论粒子物理学家及其同事在《 高能物理学杂志》上 发表了一篇研究论文，该 论文 展示了假设存在一种新型力的理论如何有助于解释暗物质的特性。 “我们生活在暗物质的海洋中，但我们对它可能是什么知之甚少，”物理学和天文学助理教授、该论文的资深作者 Flip Tanedo 说。“它是自然界中已知的最令人烦恼的未知数之一。我们知道它存在，但我们不知道如何寻找它，也不知道为什么它没有出现在我们预期的地方。” 这项新研究提出在时空中存在一个额外的维度来寻找暗物质，这是由 Tanedo 领导的加州大学河滨分校正在进行的研究是项目的一部分。根据这个理论，一些暗物质粒子的行为不像粒子。实际上，不可见的粒子与更不可见的粒子相互作用，以至于后者不再表现得像粒子。 “我过去两年研究计划的目标是将暗物质‘对话’的想法扩展到暗力量，”Tanedo 说。“在过去的十年里，物理学家开始意识到，除了暗物质之外，隐藏的暗力量可能会支配暗物质的相互作用。这些可能会完全改写人们应该如何寻找暗物质的规则。” 如果两个暗物质粒子相互吸引或排斥，那么暗力量就会起作用。Tanedo 解释说，暗力是由具有额外维度的理论在数学上描述的，并表现为粒子的连续体，可以解决小星系中的难题。 “我们在 UCR 正在进行的研究项目是对黑暗势力提议的进一步概括，”他说。“我们观察到的宇宙有空间的三个维度。我们提出可能存在只有暗势力知道的第四维度。额外的维度可以解释为什么暗物质对我们在实验室中进行研究的尝试隐藏得如此之好。” Tanedo 解释说，虽然额外维度听起来像是一个奇特的想法，但它们实际上是描述“共形场论”的数学技巧——高度量子力学的普通三维理论。这些类型的理论在数学上很丰富，但不包含常规粒子，因此通常被认为与描述自然无关。这些具有挑战性的三维理论与更易于处理的额外维度理论之间的数学等效性被称为全息原理。 “由于这些共形场理论既棘手又不寻常，它们并没有真正系统地应用于暗物质，”Tanedo 补充道。“我们不使用那种语言，而是使用全息超维理论。” 超维理论的关键特征是暗物质粒子之间的力由无数不同质量的不同粒子描述，称为连续体。相比之下，普通力由具有固定质量的单一类型粒子描述。这类连续暗区对 Tanedo 来说是令人兴奋的，因为它做了一些“新鲜而不同”的事情。 根据 Tanedo 这种说法，过去对暗区的研究主要集中在模拟可见粒子行为的理论上。他的研究计划正在 探索 大多数粒子物理学家认为不那么有趣的更极端类型的理论，这可能是因为现实世界中不存在类似物。 在 Tanedo 的理论中，暗物质粒子之间的力与普通物质感受到的力惊人地不同。 “对于我在物理入门课程中讲授的引力或电力，当你将两个粒子之间的距离加倍时，力就会减少四倍。另一方面，连续力会减少四分之一最多八个。” 这种额外维度的黑暗力量有什么含义？由于普通物质可能不会与这种暗力发生相互作用，Tanedo 转向了自相互作用暗物质的想法，这是 UCR 物理和天文学副教授 Hai-Bo Yu 率先提出的想法，他不是该论文的合著者。Yu 表明，即使在与正常物质没有任何相互作用的情况下，也可以在矮椭球星系中间接观察到这些暗力的影响。Tanedo 的团队发现连续力可以再现观察到的恒星运动。 “我们的模型走得更远，比自相互作用暗物质模型更容易解释暗物质的宇宙起源，”Tanedo 说。 接下来，Tanedo 的团队将 探索 “暗光子”模型的连续版本。 “对于黑暗力量来说，这是一幅更真实的画面，”Tanedo 说。“暗光子已经得到了非常详细的研究，但我们的超维框架有一些惊喜。我们还将研究暗力的宇宙学和黑洞的物理学。” Tanedo 一直在努力寻找他的团队寻找暗物质的“盲点”。 “我的研究计划针对的是我们对粒子物理学所做的假设之一：粒子之间的相互作用可以通过更多粒子的交换得到很好的描述，”他说。“虽然这对普通物质来说是正确的，但没有理由假设暗物质也是如此。它们的相互作用可以用交换粒子的连续体来描述，而不仅仅是交换单一类型的力粒子。”

暗物质是一种光滑的物质。据我们所知，它必须存在才能使我们当前的宇宙模型起作用。但我们不仅看不到它，感受不到它，也无法以任何方式与之互动——我们甚至不确定暗物质到底是什么。 不过，我们确实有一些线索，比如暗物质如何通过引力与普通物质相互作用或“对话” 。这些相互作用的工作方式仍然是一个谜，但一篇新论文提出，一种叫做“非最小耦合”的东西可能是解决方案。 “通过我们的研究，我们试图回答这些有趣的问题。” 我们对暗物质可能是什么的最佳猜测是冷的、弱相互作用的大质量粒子，世界各地的实验物理学家几十年来一直试图探测到这些粒子， 但尚未发现。 尽管这种特殊类型的暗物质在我们的模型中运行良好，但仍然存在一些问题。一个大问题被称为尖顶晕问题，其中推断出的星系中暗物质的密度与所谓的 N 体模拟不一致。 这些模拟表明，为了解释它们当前的结构和运动，在低物质星系中，暗物质应该是“尖点”——这意味着它最集中在尖点周围或星系之外。但观察告诉我们，大多数矮星系似乎把它们的暗物质放在中间。 这篇论文绝对不是第一篇，也可能不会是最后一篇尝试解决这些暗物质问题的论文，但该团队提出了一种新策略。研究人员建议，如果暗物质与引力的耦合非最小，它可以解决尖点问题和另一个相关的问题，称为径向加速度关系。 “在本文中，我们提出了另一种观点来修改标准冷暗物质框架，使其能够准确描述观测到的星系旋转曲线，同时忠实再现径向加速度关系，”该团队在他们的新论文中写道纸。 “引入这种耦合可以保持冷暗物质在大宇宙学尺度上的成功，同时改善其在银河系中的行为。” 非最小耦合有点用词不当。这意味着暗物质直接与称为 爱因斯坦张量的时空曲率耦合。简单地说，它是暗物质和引力之间的一种新型相互作用。如果发生非最小耦合，暗物质与时空的相互作用方式与普通物质不同。 “暗物质的这一特征并不是新奇的基础物理学，”作者说。 “人们可以仅用已知的物理学来解释这种非最小耦合的存在”。 这只是一个假设，虽然它似乎与我们迄今为止的观测数据非常吻合，但暗物质仍然是一头复杂的野兽。我们需要更多的研究来确定非最小耦合是否真的是暗物质的一个特征，或者只是另一个推动我们去发现到底发生了什么的假设。 “将进行进一步的研究，以 探索 这一提议的暗物质新特征的所有有趣含义。发现这种非最小耦合可以解决宇宙中其他未解决的问题，我们不会感到惊讶。”