未登录

开通VIP,畅享免费电子书等14项超值服

开通VIP
她是MIT的暗物质“侦探”,她对大型强子对撞机不屑一顾

2020-07-21


制造、加速、撞击。

这是科学家在探索暗物质时不断重复的三个步骤。

麻省理工学院理论物理学家特雷西·斯雷提耶(Tracy Slatyer)就是这样一名暗物质“侦探”。

宇宙中暗物质的质量是普通物质的五倍,但我们既不知道它是由什么粒子构成的,也不清楚它有多大、作用规律如何。

求解的途径有三条:一是使用大型强子对撞机这样的粒子加速器,试图把它们制造出来;

二是通过高灵敏度的直接探测实验,观测它们与标准模型粒子的冲击与对撞;

三是斯雷提耶所采用的方法,即用望远镜观察它们在太空中的碰撞或衰变,以及由此释放出的微弱的光信号。

到目前为止,研究人员都一无所获。

继希格斯玻色子以后,大型强子对撞机就再没有碰撞出任何新粒子。

直接探测实验也没有检测到确凿的信号,天文搜索亦没有找到能证明暗物质身份的明确证据。

但包括斯雷提耶在内的很多科学家都认为,凭借现在宇宙望远镜的数量,我们完全可以对诸多不同类型的暗物质展开地毯式的搜索。

“因为我们研究天体物理,本来就有很多这样的望远镜,覆盖的能量范围非常广。”

斯雷提耶从业以来的经历告诉我们,入行不久的研究人员虽然没什么机会使用大型天文望远镜,但在这个天体物理数据开源的新时代,他们也能有重大发现。

2009年,美国宇航局的费米伽玛射线空间望远镜向公众开放了数据。

没过多久,包括斯雷提耶在内的观察者就在银河系中心发现了两个新的伽玛射线源。

人们认为,暗物质就能发射出这样的信号。

暗物质粒子在碰撞后会释放出电子和正电子,可能将附近光子的能量加速至伽马射线的级别。

2010年,斯雷提耶还是哈佛大学的一名研究生,就和同学苏萌以及导师道格拉斯·芬克拜纳(Douglas Finkbeiner)一起,证明了围绕银河系中心的伽玛射线团不是漫射云,而是两个巨大的等离子体泡,与银河系中心的黑洞相连,这种结构后来被命名为“费米气泡”。

2015年,斯雷提耶所在的另一个团队又宣称,银河系中心这些伽马射线的来源并不是暗物质,而是一群神秘的暗天体,说不定是脉冲星族。

费米气泡想象图:两个明亮的等离子体泡从银河系中心向上下两边延伸。
 
斯雷提耶正在研究银河系中心那些额外的伽马射线是怎么来的。

另外她也在思考,暗物质湮灭将怎样左右宇宙的历史。

以下为斯雷提耶接受采访的内容节选:

费米望远镜的观测数据最早浮出水面的时候,你们曾经猜测,银河系中心这些强有力的伽马射线信号可能来自暗物质湮灭。但现在,你们已经不这样认为了吧?

我现在的猜测是,那可能是一群伽玛射线的新点源,也许是脉冲星族。

不过说也奇怪,它一点也不像银河星系盘的样子,倒像是一个新的脉冲星族,比费米望远镜观测到的那些脉冲星要暗得多。

我们还不能解释这些脉冲星是怎么来的,也没有证实它们就是脉冲星。

这是个不小的谜团。

就算那不是暗物质,在我们已知的天体中,也没有谁在这么多方面都跟暗物质如此接近吧?

如果知道什么样的天体物理过程能产生这样的信号,这对我们会很有帮助。

因为它看上去很像暗物质发出的信号。就算不是暗物质,也称得上是“高仿”了。

它的频谱与暗物质基本相符,空间分布也和人们想象中的暗物质湮灭效果很像。

要搜寻暗物质,就要理解这类信号。

我当然想发现暗物质,但我从事科学的初衷,是想发现人们从未见过的东西,我觉得这样很酷。对于这些信号,我很想知道它们究竟是什么。

如果答案就是暗物质,那当然很好;但就算不是,只要能找到答案,我就心满意足了。

天体物理学既涉及粒子物理学,也涉及天文学,你是怎么进入这个领域的?

当年我去哈佛念研究生,一心想和丽莎·兰道尔(Lisa Randall)和尼玛·阿尔卡尼-哈米德(Nima Arkani-Hamed)共事,研究宇宙额外维模型。

结果读了一年,阿尔卡尼-哈米德去了普林斯顿高等研究院,兰道尔也休假去了,我就想,那我只能改变计划了。

幸运的是,我被引荐给了天体物理学系新来的一名年轻教授,名叫道格拉斯·芬克拜纳,他正想找个学过粒子物理的学生。

那阵子,我和粒子物理学家谈得很多,而且整个领域都在等待大型强子对撞机启动后,能够提供新的数据。

但与芬克拜纳一谈我才知道,天体物理学领域的数据有的是,但比起坐等大型强子对撞机数据的人,真正潜心挖掘已有信息的人少之又少。

当时我就想,数据这么多,有待解答的疑问也很多,而隐藏在这些数据中、也许蕴含着特殊意义的讯号同样很多,唯独缺少去挖掘数据的人,我可以去做啊。

暗物质,顾名思义就是看不见的物质,它也没有被人类发现。你怎么知道该如何寻找它呢?

打个比方,假设暗物质碰撞后会湮灭,并产生标准模型粒子,这个过程贯穿宇宙整个历史。

而湮灭的速度要是太快,到如今就没有暗物质剩余了;要是太慢,剩下的暗物质就太多了。

只要计算出宇宙中暗物质的量——这一步我们已经完成——就能预测出暗物质粒子应该以何种速度碰撞并转化为标准模型粒子。

从中我们可以大致估算出,各种物体发出的信号应该有多强。

按照这一估算,我们今天能观察到暗物质湮灭吗?

我们所处的这个时期非常有趣。

如果暗物质的质量不到100千兆电子伏,相当于质子质量的100倍左右,那我们现在就能观测到来自矮星系的湮灭信号了,用已有的望远镜就行。

而且应该是最近两年才开始观测到的。所以,我们的望远镜探索有点恰逢其时。

你同时也在往前回溯,寻找早期宇宙的暗物质湮灭证据。这又是怎样的原理?

宇宙历史中有一段时间,恒星和星系都没有开始发光发热,宇宙处于一种低能量状态,它基本上就是一团中性氢、中性氦和暗物质,到处都散落着暗物质的团块。

如果在早期宇宙中,暗物质湮灭就像一个连续不断、无处不在的泵一样,将高能粒子泵入可见宇宙,那么它应该会对暗宇宙的演变造成重大影响。

这些影响的痕迹不是哪个天体物理过程可以轻易模拟出来的。

我们有办法去研究那个时期。我们有宇宙微波背景辐射的光子,它们在暗宇宙初期被释放,穿越那个黑暗的中性宇宙,来到我们面前。

它受到的任何改变都会在宇宙微波背景辐射中留下痕迹,而我们可以对宇宙微波背景辐射进行十分细致的观测。

一旦进入到恒星开始发光发热、星系开始成形的时期,暗物质就开始结块了,暗物质碰撞变得更加频繁。

这个阶段,暗物质还是在源源不断地提供高能粒子。这些粒子可以将氢电离,把它们加热。

但在4月份的一篇论文里,你似乎又说,暗物质不大可能给早期宇宙带来太大的改变。是不是说,这些影响充其量是非常微弱的?

我们当时想解答一个非常具体的问题:在宇宙从几乎完全中性突然转变成几乎完全电离的“再电离”时期,暗物质有没有可能扮演关键角色?

结果我们发现,无论是暗物质湮灭或者衰变,都很难对这个进程起到大的推动作用。

所以,那篇论文只是试图解答这么一个最基本的问题,我们还有一个更广泛的课题,那就是从暗宇宙时期一直到再离子时期降临前夕,在这么一段时期内,暗物质湮灭或衰变的可观测影响会有哪些?我们想对这个问题有一个大致的了解。

未来还有没有新的方式用于搜寻暗物质?

有一个小问题我已经思索很久了。但我觉得在我们所说的将来,可能是无法实现的,要到非常久远的将来才行。

也许暗物质并不是唯一的新粒子,也许暗物质会通过一种力和自己相互作用。

这种力只有它们自己能感应,普通物质是感应不到的,就像普通物质的电磁感应对暗物质不起作用一样。

比如说两个带相反电荷的粒子,由于它们相互之间存在电磁引力,因此更容易发生碰撞。

暗物质也是一样,如果暗物质有自己的力,它们之间就更容易相互作用。

一对带电粒子在电磁力作用下会发生什么呢?其中一种结果就是形成原子。

而暗物质也是一样,暗物质也可以形成类似原子的束缚态。

最终,这种束缚态可能会湮灭,就像一般的暗物质湮灭一样,摧毁自身,产生大量的标准模型粒子。

但束缚态的形成过程,以及不同束缚态之间的过渡,也可能会产生能量更低的光子。

在某个遥远的未来,如果真的观测到暗物质的湮灭信号,那么只要找到这场束缚态跃迁所对应的谱线,也许就能获得有关暗物质粒子物理学的大量信息。

这样一来,就算大型强子对撞机造不出这样的物质,也就无关紧要了。

只是有一个问题我思索很久了,怎样才能恰当地计算束缚态的形成,并确定束缚态的形成对观测造成的影响?

也就是说,我们可以通过相应的谱线来了解暗物质?

在高能量运动中,就像电子对的湮灭一样,暗物质的全部能量都被转换成了标准模型下的产物,但你也有可能在质量小得多的粒子层面,观测到跃迁过程产生的谱线,并以此推断暗物质的潜在性状,以及暗物质与载力子之间的相互作用。

大家还可以发展暗物质光谱学,但前提是我们先要把暗物质信号找出来。

翻译:雁行

来源:WIRED

本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报
从APP上打开文章,阅读全文并永久保存 查看更多类似文章
来自:造就Talk  > 待分类
举报
[荐]  原创奖励计划来了,万元大奖等你拿!
猜你喜欢
类似文章
暗物质是天体物理学中的“异形”吗?
北京天文馆 天文学词典
银河系中心或发现暗物质湮灭迹象
银河系中心探测到神秘信号:或为暗物质湮灭
狄拉克方程:反物质的“先知”
像太阳那么大的正反物质相遇,是瞬间湮灭,还是有个过程?
更多类似文章 >>
生活服务
绑定账号成功
后续可登录账号畅享VIP特权!
如果VIP功能使用有故障,
可点击这里联系客服!