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这些奇怪的“准粒子”最终可以揭露暗物质

打旋在原子的电子的抽象背景。
称为磁振子的准粒子能否掩盖轻质暗物质粒子?
图片:©Shutterstock)

宇宙中约80%的物质都是当前物理学完全不知道的形式。我们称之为 暗物质,因为据我们所知,这是……黑暗。全世界的实验都试图捕获一个杂散的暗物质粒子,希望能理解它,但到目前为止,它们已经变成空洞的了。

最近,一组理论家提出了一种新的方法,即使用怪异的“粒子”来搜寻暗物质,这种新粒子被称为“磁农”(magnons)。那些理论家说,这些微小的涟漪甚至可能诱使那些稍纵即逝的轻质暗物质粒子隐藏起来。 [关于暗物质的11个最大的未解决问题]

暗物质之谜

我们知道关于暗物质的各种各样的事情,除了 这是什么.

即使我们无法直接检测到它,只要将望远镜向更广阔的宇宙开放,我们就会看到暗物质的证据。最早的启示可以追溯到1930年代,是通过观察 星系团,宇宙中一些最大的结构。居住在这些星系中的星系移动得太快而无法聚集在一起。那是因为星系的集体质量产生了引力胶,使星团保持在一起—质量越大,胶水越牢固。超强力的胶水甚至可以将速度最快的星系聚集在一起。任何更快的速度,集群都将使其自身分裂。

但是那里存在着星团,星系在它们内部嗡嗡作响,其速度远远快于星团的质量。某物具有足够的引力,可以将这些星团保持在一起,但是某物并未发出光或与光发生交互。

几十年来一直没有解决这个谜,直到1970年代天文学家 维拉·鲁宾(Vera Rubin) 通过观测银河系中的恒星,极大地提高了赌注。事情再一次变得太快了:鉴于它们的观测质量,我们宇宙中的星系应该在数十亿年前分裂开来。某种东西将它们绑在一起。看不见的东西。 [关于我们银河系的11个有趣事实]

故事在时空上遍及整个宇宙。从宇宙大爆炸的最早光线到宇宙中最大的结构,都是时髦的东西。

在黑暗中搜寻

所以那里有很多暗物质—我们只是找不到其他可行的假设来解释数据海啸以支持其存在。那是什么我们最好的猜测是,暗物质是某种迄今为止尚不为人所知的新型奇特粒子。在这张照片中,暗物质淹没了每个星系。实际上,通过可见的星系以及气体和尘埃云所看到的银河系可见部分,只是一个很小的灯塔,座落在更大,更暗的海岸上。每个星系都坐在一个巨大的“光环”中,由数十亿个 暗物质粒子.

这些暗物质粒子现在正流过您的房间。他们正在通过您流式传输。永无休止的细小的看不见的暗物质颗粒的阵雨。但是您根本不会注意到它们。它们不会与光或带电粒子发生相互作用。你由带电粒子组成,对光非常友好。暗物质看不见你,暗物质看不见。我们“看到”暗物质的唯一方法是通过引力。引力注意到宇宙中各种形式的物质和能量,无论是否暗,所以在最大尺度上,我们观察到了所有这些无数粒子的总质量的影响。但是在你房间里吗?没有。

除非我们希望,否则暗物质会以其他方式与我们的正常物质相互作用。暗物质颗粒无论有多大,都有可能感觉到 弱核力量 —造成放射性衰变—在这个隐藏的领域中打开一个新窗口。想象建筑物 一个巨大的探测器,无论您要使用什么元素,它的质量都是很大的。暗物质颗粒从中流过,几乎所有颗粒都完全无害。但是有时,取决于稀有物质的特定模型,稀有的情况下,通过的粒子会通过弱核力与探测器中元素的原子核之一相互作用,将其敲除,从而使探测器整体质量下降颤动。

Enter the magnon

此实验设置仅适用 如果暗物质颗粒相对较重,使其具有足够的活力以在这些罕见的相互作用之一中敲除一个核。但是到目前为止,即使经过数年的搜寻,全球各地的暗物质探测器都没有发现任何相互作用的痕迹。随着实验的进行,暗物质的允许性质已逐渐被排除。这不一定是一件坏事。我们根本不知道暗物质是由什么构成的,所以我们对暗物质的了解越多,其可能的情况就越清晰。

但是缺乏结果可能会令人担忧。暗物质的最重候选物正在被排除在外,如果神秘粒子太轻,由于它们现在被设置,它们将永远不会在探测器中被看到。就是说,除非暗物质有另一种方式可以与常规物质对话。

在预印本在线期刊上发表的最新文章中 arXiv物理学家 详细介绍了一个建议的实验装置,该装置可以在改变电子自旋的过程中发现暗物质粒子(如果事实上暗物质可以做到这一点)。在这种设置下,即使可疑粒子非常轻,也可以潜在地检测到暗物质。它可以通过在材料中创建所谓的磁振子来实现。

假设您的材料温度为 绝对零度。所有旋转—就像小小的磁铁— of all 那件事中的电子 将指向同一方向。随着温度的逐渐升高,一些电子将开始苏醒,摆动并随机将其自旋指向相反的方向。升高温度越高,缠绕的电子越多—这些翻转中的每一个都会使磁强度降低一点点。这些翻转的自旋中的每一个也会在材料的能量中引起一些波动,这些摆动可以看作是准粒子,而不是真正的粒子,但是可以用数学方法来描述。这些准粒子被称为“磁振子”,可能是因为它们就像微小的可爱的小磁铁。

因此,如果您从一种非常冷的材料开始,并且足够多的暗物质粒子撞击该材料并翻转一些自旋,您将观察到磁振子。由于实验的敏感性和相互作用的性质,此设置可以检测轻量的暗物质粒子。

也就是说,如果存在。

保罗·萨特 是一位天体物理学家 俄亥俄州立大学,的主机 询问太空人 空间Radio和的作者 您在宇宙中的位置.

最初发表于 世界科学.