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研究发现:若时空中存在额外维度,或能通过“暗力”找到暗物质!
暗物质占宇宙质量约85%的物质,顾名思义,暗物质不发光,不易被探测到,暗物质的性质也仍然相当模糊。现在,加州大学河滨分校的理论粒子物理学家《高能物理》期刊上发表了一篇新研究论文,展示了假设存在一种新力的理论,如何有助于解释暗物质的性质。研究的资深作者、物理学和天文学助理教授菲利普·塔内多说:我们生活在暗物质的海洋中,但对暗物质可能是什么却知之甚少。
这是自然界中最令人烦恼的已知未知数之一,我们知道它的存在,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。在过去的30年里,物理学家们使用望远镜、巨大的地下实验和对撞机来了解更多关于暗物质的知识,尽管还没有确凿的证据。然而,负面证据迫使像塔内多这样的理论物理学家,更具创造性地思考暗物质可能是什么。这项新研究提出在时空中存在一个额外维度(第四维空间)来寻找暗物质,这是加州大学河滨分校由塔内多领导一个正在进行研究项目的一部分。
根据这一理论,一些暗物质粒子的行为与粒子不同。实际上,看不见的粒子与更多看不见的粒子相互作用,使后者的行为不再像粒子一样。研究人员表示过去两年研究项目的目标,是将暗物质'对话’的想法扩展到“暗力”。在过去的十年里,物理学家们逐渐认识到,除了暗物质之外,隐藏的“暗力”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,那么暗力就在运作。
暗力和额外维度
塔内多解释说:暗力是由一个额外维度的理论在数学上描述,它看起来是一个粒子的连续体,可以解决在小星系中看到的谜题。加州大学河滨分校正在进行的研究计划是“暗力”提议的进一步推广,我们观测到的宇宙是有三个维度的空间,研究认为可能存在只有通过“暗力”才知道的第四个维度。额外维度可以解释为什么暗物质对在实验室进行研究的尝试隐藏得如此之好。尽管额外维度听起来像是一个异想天开的想法,但它们实际上是描述“共形场理论”的一个数学技巧,即高等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和更易处理的额外维度理论之间的数学等价性被称为全息原理。由于这些共形场理论既棘手又不同寻常,它们并没有真正系统地应用于暗物质。额外维度理论的关键特征是,暗物质粒子之间的作用力,是由无限多个不同质量的粒子来描述,这些粒子被称为连续体。相反,普通力是用一种固定质量的粒子来描述。
这类连续暗区让研究人员感到兴奋,因为它做了一些“新鲜而不同”的事情。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,其研究项目正在探索更极端的理论类型,大多数粒子物理学家认为这些理论不那么有趣,可能是因为现实世界中不存在类似的理论。在这项研究理论中,暗物质粒子之间的作用力,与普通物质感受到的作用力有惊人的不同。对于引力或电力,当两个粒子之间的距离增加一倍时,力就减少了四倍。另一方面,连续体力的“暗力”最多减少了八倍。
额外维度的“暗力”有什么含义?
由于普通物质可能不会与这种暗力量相互作用,研究人员转向了自我相互作用暗物质的想法,这一想法是由加州大学河滨分校物理和天文学副教授余海波(Hai-Bo Yu)首创。即使在与正常物质没有任何相互作用的情况下,这些暗力的影响也可以在矮球状星系中间接观察到,研究团队发现,连续体的“暗力”可以重现观测到的恒星运动。其模型比自作用暗物质模型更容易解释暗物质的宇宙起源。
接下来,研究团队将探索“暗光子”模型的连续体版本。对于暗力来说,这是一幅更真实的画面,暗光子已经被详细研究过了,但额外维度框架有一些令人惊讶的地方,同时还将研究暗力的宇宙学和黑洞物理。研究项目针对的是对粒子物理学所做的一个假设: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。虽然普通物质确实如此,但我们没有理由认为暗物质也是如此。它们之间的相互作用可以用交换粒子的连续体来描述,而不仅仅是交换一种作用力的粒子。
博科园|研究/来自:加州大学河滨分校
研究发表期刊《高能物理》
博科园|科学、科技、科研、科普
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