墨尔本大学｜暗物质可能是“轻型”的-热门资讯-UNISTATISTICS

我们不知道暗物质粒子的质量，因此研究人员正在开发新技术来寻找新的、更轻型的类型

澳大利亚墨尔本大学尼古拉·贝尔教授、彼得·考克斯博士、马修·多兰副教授、杰登·纽斯特德博士和亚历山大·里特共同撰写

宇宙中大部分物质并非以原子和分子的形式存在，而是完全不同的东西。我们称之为暗物质：一种我们看不见的未知物质，因为它既不发出光也不反射光。

我们知道暗物质的存在是因为它在宇宙可见物质上留下的“指纹”。如果没有暗物质，就不会有像我们的银河系这样的星系，宇宙也将是一个截然不同的地方。

如果没有暗物质来维持像银河系这样的星系，我们的宇宙将是一个截然不同的地方。图片：美国宇航局

我们目前还不知道暗物质是什么，但我们有充分的理由相信它是由新的基本粒子组成的。如今科学界面临的最大挑战之一就是首次直接观测这些粒子。

但暗物质粒子与普通物质的相互作用非常罕见。寻找暗物质与原子之间碰撞的实验必须受到干扰的保护，否则会淹没这个非常罕见的信号。

因此，探测器被大量的岩石屏蔽在深埋的地下实验室中。

另一个主要挑战是我们不知道我们正在寻找的暗物质粒子的质量。大多数实验对比氢原子重大约10到1000倍的暗物质具有敏感性。

但暗物质有可能被发现要轻得多，这使得探测它变得更加具有挑战性。

想象一下两个球的碰撞，但其中一个是看不见的：如果一个可见的保龄球碰到一个看不见的球，它们都会后退，我们可以通过另一个球的运动推断出看不见的球的存在。

但如果一个看不见的乒乓球碰到一个保龄球，较重的球几乎不会移动 - 我们甚至不会知道乒乓球的存在。

同样地，如果一个轻的暗物质粒子与我们探测器中的一个质量更大的原子碰撞，我们将不会注意到发生了任何事情。

我们在墨尔本大学物理学院和黑暗物质粒子物理学卓越中心的理论粒子物理学家团队一直在探索几种解决这个问题的方法。

首先，我们可以使用由轻原子而不是重原子制成的探测器。换句话说，用乒乓球代替一些保龄球。

目前最先进的暗物质探测器由重氙原子制成。在这些探测器中添加少量的氢（最轻的元素）就足够了。

这是HydroX团队正在追求的一个想法——对位于美国Sanford地下研究设施的LUX-ZEPLIN暗物质实验进行的提升升级建议。

第二，我们可以寻找一种更容易检测到的不同信号。如果暗物质粒子击中原子核，它偶尔会导致原子抖动并释放出一个电子，这就是所谓的“米格达尔效应”。

即使原子核本身的反冲无法检测到，这个被抛射的电子也是可见的。目前对轻暗物质进行最敏感的搜索就是利用这种技术，该技术是由墨尔本大学的研究人员计算的理论预测。

我们的团队最近证明，将这两种技术结合起来可能特别有效。这将使得能够检测到比氢原子轻200倍的暗物质。

第三种寻找轻暗物质的方法是寻找“提升的”暗物质，意味着比通常更具能量的暗物质。

我们银河系中的暗物质移动速度相对较慢（大约每小时一百万公里——对于一个基本粒子来说实际上非常缓慢）。然而，一小部分暗物质可能移动速度要快得多。

我们可能会以很多方式获得一些更高能量、更高速度的暗物质，但最引人注目的是“宇宙射线暗物质”。

宇宙射线粒子以接近光速的速度在银河系中穿行。图片来源：盖蒂图片社

银河系中充斥着高能宇宙射线粒子，它们以接近光速的速度飞速穿行。这些粒子穿越星际之间的大距离，这些距离充满了慢速移动的暗物质粒子。

如果一个高能宇宙射线粒子撞击到一个慢速移动的轻暗物质粒子，它将向其转移大量能量——这样一来，它就会获得一个踢击，将暗物质粒子以接近光速的速度射出。

这种速度更快、能量更高的暗物质将更容易在我们的探测器中观察到，即使暗物质粒子非常轻。即使是一个乒乓球，如果速度足够快，也能使得一个保龄球改变方向。

这种额外的能量助推甚至能够让这些提速的暗物质在设计用于测量中微子的探测器中被观察到，中微子是另一种常见但难以探测的粒子。中微子探测器通常无法检测到普通低能暗物质产生的微小能量沉积。

能够在中微子探测器中观测到高能暗物质将是一个巨大的优势，因为它们通常比暗物质探测器大上千倍。

我们的团队最近在一篇预印稿中展示了未来的中微子实验JUNO将成为宇宙射线暗物质的优秀探测器。

所有这些提出的技术都可以通过现有和正在开发中的实验来实现。它们使我们能够增强或从现有的暗物质实验或计划中微子实验中获取额外信息。

最终，通过扩展可检测的暗物质类型，这些想法将使我们能够更多地了解这个神秘的幽灵。