假如反物質是進入暗宇宙的入口,那將意味著什麼?
2019年11月19日11:36

  11月19日消息,在近期發表的一篇論文中,研究者提出了這樣一個問題:假如反物質是進入暗宇宙的入口,那將意味著什麼?

  迄今為止對宇宙的測量顯示,宇宙的大部分質量似乎來源於“暗物質”,即某種通過萬有引力定律與常規物質相互作用的隱形物質。儘管付出了很大的努力,但科學家仍未直接探測到暗物質。他們嚐試了許多不同的方法,比如意大利國立核子物理研究所的PVLAS探測器團隊就試圖尋找名為軸子(axion)的粒子。這是一種假想的亞原子粒子,被許多人認為是暗物質的候選組成部分之一。通過研究軸子與反物質相互作用的方式,該團隊希望能找到暗物質的潛在線索。

  軸子或許只能算是第二大最有希望的暗物質候選粒子,僅次於大質量弱相互作用粒子(Weakly Interactive Massive Particles,簡稱WIMP)。這種粒子也仍停留在理論階段,還沒有被發現。事實上,理論預測中的軸子具有令人難以置信的微小質量(只有電子的五千億分之一到五千萬分之一),而科學家最初提出這一概念的原因,是為瞭解決粒子物理學中CP守恒問題。後來科學家意識到,這些粒子或許可以解釋宇宙中額外的質量。

  在探尋暗物質粒子的同時,科學家也在試圖瞭解反物質。正如普通物質由普通粒子構成,反物質由反粒子構成。作為粒子物理學中反粒子概念的延伸,反物質有點像物質的“邪惡孿生兄弟”:每個亞原子粒子都有一個對應的反粒子,二者的質量相同,但電荷相反,當粒子與反粒子相遇時,就會相互吸引、碰撞並完全轉化為光,同時釋放巨大的能量——這一過程稱為湮滅。反物質並不特別罕見,它們會出現在地球上發生的典型原子衰變過程中,也可以在實驗室中人工製造出來,但是在現今可見的宇宙範圍內,反物質比常規物質少得多,這種明顯的正反物質不對稱性成為物理學最大的謎題之一。

  該論文的第一作者、日本理化學研究所(RIKEN)的研究人員克里斯蒂安·斯莫拉(Christian Smorra)表示,科學家通常認為暗物質會以同樣的方式與物質和反物質相互作用,但“這一假設至今未能得到實驗證實,因為在原子物理學中,對暗物質的探索使用的是物質探測器”,而不是反物質探測器。也許反物質與暗物質相互作用的方式與普通物質不同。

  日本、德國、瑞士和美國的研究人員正在利用歐洲核子研究中心(CERN)的“重子-反重子對稱實驗”(Baryon-Antibaryon Symmetry Experiment,簡稱BASE)獲取數據。歐洲核子研究中心的反質子減速器能生成並減慢反質子,並通過BASE將反質子困在極端的真空中。2017年,該國際團隊對這些反質子進行了三個月的精確測量,觀察它們在磁場中的作用方式。現在,科學家重新檢查了這些數據,尋找反質子自旋進動的變化。自旋是粒子的一種內稟性質,使它們有點像一個量子版的旋轉陀螺。與軸子——理論上的暗物質粒子——的相互作用,可能會改變粒子圍繞自轉軸旋轉的方式。

  這種搜索軸子的策略還有一個額外的好處:如果暗物質與反物質的相互作用不同於與普通物質的相互作用,那軸子就可能有助於解釋為什麼宇宙中的物質遠多於反物質。

  根據發表在《自然》(Nature)雜誌上的這篇新論文,研究人員並沒有發現軸子存在的證據。在暗物質研究中,這樣的結果可以說是常態。但是,在這個物理學的時代,各種顯而易見的東西都已經被發現了,科學家必須花大量的時間來排除暗物質所不具有的屬性,並希望最終能從所有這些無效結果中獲得發現。

  這是一次重要的粒子尋找過程。“我很高興有人關注軸子-光子耦合之外的軸子耦合,”美國新罕布殊爾大學的物理學助理教授錢達·普雷斯科德-溫斯坦(Chanda Prescod-Weinstein)說道。換句話說,終於有科學家嚐試尋找與普通粒子相互作用的軸子,而不是只關注軸子和光粒子的相互作用。

  儘管該研究仍然沒有給出確定的結果,但科學家的搜尋並沒有結束。美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的物理學家詹保羅·卡羅西(Gianpaolo Carosi)在《自然》雜誌的評論文章中寫道:“未來的工作應該進一步聚焦軸子-反質子耦合,尋找軸子暗物質和其他反物質形式(如電子的反粒子)相互作用的證據。”

  卡羅西表示,研究小組下一步應提高他們的測量靈敏度。關於軸子,我們所知道的是,它們的質量非常微小,但可能的範圍又很大,而且電荷和自旋都是零。無論如何,科學家對暗物質的探索仍將繼續。(任天)

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