黑暗光子是宇宙中第五種力嗎?

2020-11-22 旅行到930億光年之外

尋找形成我們宇宙的無形之手及其內部星系的物理學家已將目光轉向黑暗面。具體來說,一個團隊正在尋找所謂的暗光子背後的每一個宇宙巖石,它可以傳遞一種以前未知的自然力量。

這些光子將傳導所有正常物質和被稱為暗物質的無形物質之間的相互作用。

但是科學家們早就明白,大自然被四種已知的力量拉伸,拉動,碾壓和撕裂,那麼另一種力量怎麼能長時間隱藏起來呢?這四種已知的力量構成了我們日常生活的基石:強大但短程的強大核力,它將原子核結合在一起; 一種模糊的,低噪音的弱核力,控制著放射性衰變並與稱為中微子的亞原子粒子對話; 大膽而明亮的電磁力,支配著我們的生活; 和微妙的引力,到目前為止最弱的一種力。

利用這四種基本力量,物理學家能夠描繪出我們的亞原子和宏觀世界的畫像。沒有涉及這四個字符之一的交互。然而,關於我們宇宙中的相互作用,尤其是最大尺度上的相互作用,仍然存在很多謎團。當我們縮小到星系以及更遠的星球時,會出現一些腥味,我們將這種稱為暗物質。

暗物質是簡單而樸素的,還是它隱藏了許多以前未知的力量?現在,一個國際物理學家團隊利用大型強子對撞機(世界上最大的原子粉碎機)的數據轉儲來尋找這種力量。現在,他們的搜索毫無結果,這意味著我們已知的物理定律仍然存在。但我們仍然無法解釋暗物質。

暗物質是一種假設的物質形式,據說佔宇宙總質量的80%左右。這是一件大事。我們真的不知道是什麼導致所有這些額外的隱形東西,但我們知道它存在,最大的線索是引力。通過研究星系內星系和星系內恆星的運動,以及宇宙中最大結構的演化,天文學家幾乎普遍得出的結論是,真實的宇宙不僅僅是我們觀測的宇宙。

暗物質的更好名稱可能是無形的。雖然我們可以從它的引力影響推斷它(因為沒有任何東西逃脫阿爾伯特愛因斯坦的全視之眼),但暗物質根本不會與光相互作用。我們知道這一點,因為如果暗物質確實與光相互作用(或者至少,如果它以熟悉物質的方式與光相互作用),我們現在就會看到這種神秘的物質。但據我們所知,無論它是什麼都不會吸收光線,反射光線和折射光線,散射光線或發光。對於暗物質,光線只是不受歡迎的人物; 它甚至可能都不存在。

因此,大量的暗物質粒子現在正在流過你的身體。無盡的流的組合質量可以通過引力影響塑造星系的命運。

由於我們不知道暗物質是由什麼構成的,因此我們可以自由地構成各種場景,既平凡也有幻想。它構成了宇宙質量的絕大部分,但它只包含一個高度多產的粒子,除了質量之外別無其它。這意味著暗物質可以通過重力使我們知道,但不會通過任何其他力量相互作用。我們永遠都不會看到暗物質在做其它任何事情。

理論物理學家發現暗物質偶爾可以通過弱核力與正常物質交談。這個想法激活了當今世界各地的暗物質實驗和探測器。

但是,這種情況仍然假設仍然只有四種自然力量。如果暗物質是一種以前看不見的粒子,那麼假設它(因為我們不知道我們是否正確)是完全合理的,它包含了以前未知的自然力量- 或許是一對,誰知道?這種潛在的力量可能讓暗物質只與暗物質交談,或者暗物質和暗能量(我們也不明白)交織在一起,或者它可能在我們宇宙的正常和暗部之間開闢一條新的交流通道。

在明暗領域之間建立的通信門戶是一種稱為暗光子的東西,類似於光子。我們不會直接看到或品嘗或聞到黑暗的光子,但它們可能與我們的世界混在一起。在這種情況下,暗物質發出暗光子,這是相對大質量的粒子。它們只能在很短的範圍內發揮作用,但偶爾,暗光子可以與常規光子相互作用,改變其能量和軌跡。這將是一個非常罕見的事件;

因此,即使是暗光子,我們也無法直接看到暗物質,但我們可以通過檢查電磁相互作用來探測暗光子的存在。在這些採空區的一小部分中,一個黑暗的光子可以通過與它相互作用從常規光子中「竊取」能量。

但就像我說的,我們需要大量的互動。碰巧我們已經建立了巨大的科學機器來生產,所以我們很幸運。

物理學家在檢查粒子加速器時發現,將質子砸碎,形成一堵亞原子牆,並查看了結果中的所有碎片。在殘骸中,研究人員發現了很多電子。在三年的時間裡,科學家計算了超過200億個能量超過100 GeV的電子。由於電子是帶電粒子並且彼此相互作用,因此本實驗中的高能電子也產生了大量的光子。如果存在暗光子,那麼它們有時應該與常規光子中的一個相互作用並竊取能量,這種現象在實驗中表現為缺光。

這種對暗光子的搜索有時是毫無結果的 - 所有正常的光子都存在並被解釋 - 但這並不能完全排除暗光子的存在。相反,它限制了這些粒子的某些性質。如果它們存在,將是低能量(低於1GeV,基於實驗結果)並且很少與常規光子相互作用。

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