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反物质与暗物质之间有联系吗?

2019.11.17

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无论是在可观测的宇宙边缘,还是在我们的身边,物质都无处不在。但对我们来说,物质依然是神秘的存在。

它的第一个神秘之处在于,我们所看到的普通物质世界本应不存在。最前沿的物理理论告诉我们,在宇宙大爆炸之后,普通物质和反物质应该被等量地创造了出来,因此物质与反物质应该会全部相互湮灭。但结果是不是何原因,物质在湮灭大战中战胜了反物质。

另一个神秘之处在于,我们所能看到的普通物质实际上只占宇宙物质中的一小部分,大多数物质都是以暗物质的形式存在的(85%)。物理学家尚不清楚暗物质的本质,只知道这是一种似乎与光或其他物质都不会产生明显相互作用的物质。

为了解开这两个问题,物理学家提出了一些富有潜力的理论,而且其中一些甚至是可被检验的。在这么多方法中,有一个解决方案尤为有趣,物理学家开始思考:反物质和暗物质之间是否存在联系?

在一项新的研究中,一个国际合作的科研团队BASE完成了第一个将正反物质问题与暗物质问题联系起来的实验。在实验中,他们探讨了正反物质与一种暗物质粒子之间的相互作用是否有所不同。

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多年来,对暗物质的研究焦点一直聚集在一类被称为大质量弱相互作用粒子(WIMP)的假想粒子中。这些重的、移动相对缓慢的粒子最符合我们从宇宙的行为中推测出的暗物质性质。然而,无论是使用大型强子对撞机(LHC)还是一些专门的探测器,都没有发现WIMP的踪迹。因此一些研究人员开始思考,或许有其他的粒子可以替代WIMP。

轴子就是这样一种候选粒子,这是一种最初为了解决量子色动力学(QCD)领域中的问题(为什么中子缺乏可测量的电偶极矩?)而被提出的假想粒子。轴子比WIMP更轻,但它可以以其庞大的数量在不需要额外粒子的情况下解释暗物质的存在。由于轴子的性质已经因它们在QCD中所扮演的角色而被定义了,所以用来检验轴子存在的方法有很多。

在新的实验中,研究人员就探索了一种类轴子粒子与反物质的相互作用,他们在实验室中创造了一些反物质,然后检测了类轴子粒子与这些反物质的作用是否不同于普通物质与之的相互作用。

那么要如何寻找轴子和反物质之间的相互作用呢?与普通粒子一样,反物质粒子的自旋也会与外部磁场对齐。然而,它们的自旋也会经历旋进,在这个进动过程中,自旋会围绕着与磁场成直线的方向摆动。如果轴子真的存在并能与反物质发生相互作用,那么它们就应该以一种可以改变这种摆动的方式存在。此外,如果轴子真的就是暗物质粒子,那么这些相互作用应该发生得十分频繁,频繁到可以被我们所探测到。

研究人员在实验中使用了一种名为潘宁阱的特殊装置,它能用磁力捕获单个反物质粒子,防止它与普通物质接触而导致湮灭。接着,他们测量了反物质粒子的自旋进动频率。通常情况下,自旋进动频率在给定的磁场中应该是恒定的。

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这一实验设计成功地让研究人员得以测量反物质的旋进。然而,他们最终并没有发现明显的区别,但这并不意味着反物质粒子与类轴子粒子之间没有发生相互作用。

研究人员认为,实验结果表明,任何与轴子发生的相互作用都与在这个实验中所假设的轴子性质不同。因此,通过逐条排除轴子的一些可能特性,我们最终或许能通过实验将轴子排除在暗物质的候选粒子之外。例如,如果轴子的质量最终被作为一个排除它是暗物质在因素,那么就没有再考虑它们存在的意义了。除此之外,新的实验也为暗物质和反物质之间的潜在相互作用设定了一个新的上限。

在此次实验中,研究人员使用的反物质粒子为反质子。未来,研究人员还将致力于进一步限制轴子-反质子的相互作用,更进一步地提高测量自旋进动频率的准确性。并且他们还计划探寻类轴子的暗物质粒子与其他形式的反物质(如正电子)发生相互作用的证据。

通过这样的实验,物理学家或许可以观测到暗物质与反物质之间的相互作用究竟有何不同,从而最终帮助我们解答,为何宇宙中的普通物质远多于反物质。

参考链接:
https://arstechnica.com/science/2019/11/dark-matter-link-to-regular-matters-dominance-fails-to-show-up/
https://www.nature.com/articles/d41586-019-03431-5

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