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暗物质的新候选者及其探测方法

加利福尼亚大学戴维斯分校的两位理论物理学家有一个新的暗物质候选物,并有一种可能的方法来检测它。他们在西班牙格拉纳达举行的普朗克2019年会议上展示了他们的作品,并已提交出版。

暗物质被认为占我们宇宙的四分之一以上,其余大部分都是更神秘的暗能量。它不能直接看到,但暗物质的存在可以被检测到,因为它的重力决定了遥远星系和其他物体的形状。

许多物理学家认为暗物质是由一些尚待发现的粒子组成的。一段时间以来,最喜欢的候选者是弱相互作用的大质量粒子,或WIMP。但是,尽管经过多年努力,WIMP迄今尚未出现在旨在检测它们的实验中。

“我们仍然不知道暗物质是什么,”物理学教授,该论文的共同作者约翰泰恩说。“很长一段时间的主要候选人是WIMP,但看起来几乎完全被排除在外。”

WIMP暗物质模型的替代方案需要一种“暗电磁”形式,包括“暗光子”和其他粒子。暗光子与“常规”光子有一些弱耦合。

在他们的新论文中,Terning和博士后研究员Christopher Verhaaren对这一想法进行了改进:一种与暗光子相互作用的暗磁“单极子”。

在宏观世界中,磁铁总是有两个极,北极和南极。单极子是一种像磁铁一端的粒子。单极子是通过量子理论预测的,但从未在实验中观察到。科学家们认为暗单极子会与暗光子和暗电子相互作用,就像理论预测电子和光子与单极子相互作用一样。

这意味着一种检测这些黑暗粒子的方法。物理学家保罗·迪拉克(Paul Dirac)预测,在单极子附近以圆圈运动的电子会发现其波函数的相位发生变化。因为电子在量子理论中同时作为粒子和波存在,所以同一电子可以在单极的两侧通过,结果在另一侧略微异相。

这种干涉模式,称为Aharonov-Bohm效应,意味着绕过磁场的电子受其影响,即使它不通过磁场本身。

Terning和Verhaaren认为你可以探测到一个黑暗的单极子,因为它在经过时会改变电子相位的方式。

“这是一种新型的暗物质,但它也有一种新的方式来寻找它,”Terning说。

电子束相对容易获得:电子显微镜用于证明20世纪60年代的Aharonov-Bohm效应,电子束技术随着时间的推移而得到改善,Terning指出。

从理论上讲,暗物质粒子一直在流过我们。为了在Terning和Verhaaren的模型中可以检测到,单极子必须被太阳激发。然后他们将花费大约一个月的时间到达地球,以大约千分之一的速度行进。

另一方面,预测的相移非常小 - 例如,小于检测重力波所需的相移。然而,Terning指出,当LIGO重力波试验首次提出时,使其工作的技术并不存在 - 相反,技术随着时间的推移而陷入困境。

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