一種狂野的六夸克粒子,是暗物質嗎?還是粒子物理學家的新玩具

2020-11-25 想法捕手

我們被時空限制在宇宙的一個小角落,即便我們能放眼看遍整個宇宙,看見的一切也不過只佔宇宙的5%。

宇宙中大部分物質,我們除了能感知它們所施加的引力,幾乎無法探測。這就是我們對暗物質最基本的認知。有人認為這些神秘的暗物質必定由未知的粒子組成,而另一些人則認為熟悉的粒子可能才是關鍵。

雖然,目前探尋暗物質的主流工作還聚焦於發現宇宙深藏的未知物,但一些科學家越來越懷疑暗物質是否可以用現有的物理定律來解釋。其中一種觀點認為,一種擁有六夸克的粒子可以解釋暗物質,而不需要任何新奇的理論。

事實上,暗物質是難以捉摸的。

宇宙所包含的物質遠比望遠鏡所能直接看到的物質還要多。

從1922年開始,科學家們找到了各種證據表明,大量的物質都藏著暗處,如同埋入宇宙血肉中的骨架,支撐宇宙星系的運轉。

對我們來說,這樣的運轉是異常的,它使得星系轉得比我們想像中更快,穿行宇宙的光線比我們想像中扭曲得更厲害。

在子彈星系團中,光似乎在空曠的空間中彎曲。研究人員現在認為這些區域含有暗物質。

我們希望通過解剖宇宙將它看得更仔細,但造物主似乎只賦予了我們運用電磁力的天賦。其他三力我們運用得並不醇熟,但我們卻通過想像與數學兩大利器構建了各種理論模型。

其中一個稱為弱相互作用大質量粒子(WIMPs)的理論曾是解釋暗物質的主流。它是將粒子標準模型融入超對稱概念後,預示的一種超對稱的中微子。

在美國南達科他州地下1500米處的廢棄金礦中,在南極洲冰層的深處,在瑞士大型強子對撞機中,在隨著國際空間站環繞地球的外太空中,各種儀器設備一直在尋找WIMPs的蛛絲馬跡。

但經過幾十年的搜索,科學家們仍未找到傳說中的WIMPs,所以一些人也開始關注其他更有趣的想法。

設計粒子模型和尋找新粒子一直是粒子物理學家的遊戲。

我們對粒子的基本認知就是,原子核由質子和中子組成,它們本身又由夸克構成。已知的夸克有六種類型,稱為六「味」:上(u)、下(d)、奇(s)、粲(c)、底(b)、頂(t)。

每種類型又可分為三「色」:紅、綠、藍,所以共有18種夸克。當然每種還有對應的反夸克。

三個夸克要構建基本粒子時,必須遵循「色荷守恆」——紅、綠、藍相互抵消,變成「無色」。夸克的電荷是分數,上(u)、粲(c)、頂(t)的電荷為2/3,下(d)、奇(s)、底(b)的電荷為1/3。

粒子物理學家以這套遊戲規則,就可以組合我們這個世界已知的所有粒子,而它們大多就是不同夸克的兩、三組合。

但在粒子對撞機的幫助下,物理學家開始發現了更多的粒子夸克結構,比如四夸克的粒子和五夸克的粒子。但為什麼不能是六夸克的粒子呢?

在理論中,一些六夸克構型是可以構成穩定粒子的。紐約大學的理論物理學家格倫尼斯·法拉爾(Glennys Farrar)認為,這樣的粒子可能就是暗物質的基本結構。在更高的能量下,這樣的粒子可能以我們今天所測得的暗物質比例從原始宇宙中凝聚出來,並且可能仍然存在於宇宙中。

2017年,法拉爾曾表明這樣的粒子質量是質子的兩倍,且有穩定的夸克結構(兩個上夸克,兩個下夸克和兩個奇異夸克)。通過這一假設,法拉爾甚至預測了早期宇宙中暗物質的豐度,而且與現在的宇宙理論匹配,不需要更多人為的調整。

尋找六夸克粒子的方法?

法拉爾認為六夸克暗物質會被地球的引力場所捕獲,並可能與地殼中一些粒子的原子核結合,產生一種更重口味(味,是夸克的一種分類)的氧,稱為氧-18(oxygen-18)。通過比較氧-18原子核的質量是否與預計的一致,就可判斷這種粒子是否存在。

這樣的六夸克粒子得到了一些物理學家的質疑,當然也有另一些物理學家積極響應,並宣稱在過往的實驗數據中就有六夸克存在的證據。

早在2011年,物理學家們就在德國做了一項名為WASA的實驗。在COSY加速器中,物理學家發現了一種名為d*(2380)的粒子,並認為它由六夸克組成。d*(2380)以質量來命名,質量約23.8億電子伏特(2380million electron volts)是三夸克質子質量的兩倍多一點。

這項研究發表在了《物理學雜誌G:核與粒子物理學》(Physics G: Nuclear and Particle Physic)上。研究人員計算出這樣的粒子可以形成一種穩定的「雲」,是一種玻色-愛因斯坦凝聚態

玻色-愛因斯坦凝聚態是一種在溫度足夠低時,所有屬於玻色子的原子會突然聚集在最低能量狀態,形成的一種新物質形態。相當於所有的原子都失去了個性,表現出單一的量子態,凝聚在一起成了一個獨立的宏觀量子整體。

最常見的就是實驗室裡的液氦,它的玻色-愛因斯坦凝聚態也稱為超流體,它可以通過0.1微米的毛細管,會由於光照從杯子裡沿杯壁爬出來,插一根管子還會從中噴出來。

現在我們可以在實驗室裡製造出液氦這種超流,但還無法創造出六夸克的穩定「雲」,但六夸克實驗也許能夠通過瞬間爆發的伽馬射線在太空中完成,或在太空中找到由這種「雲」坍縮產生的其他粒子。

目前約克的科學家正計劃與德國和美國的物理學家合作,一起測試他們的理論。如果六夸克粒子真能解釋暗物質,則意味著粒子物理標準模型就能解釋關於暗物質的謎團。

在這之前,暗物質長期被認為是超越標準模型的某種神秘的存在。如今這瘋狂的想法又將它變為了標準模型的一部分。

這似乎為探索暗物質開闢了一條新道路,而尋找暗物質真實身份的工作還在繼續。

或許我們永遠也無法確切地知道暗物質到底是什麼?以瑪雅人的聖書《波波爾·烏》中的話來說,造物主並不想讓我們成為神邸。

第一批被創造成形的人……他們被賦予智慧知曉了這個世界的一切。

當他們舉目四望時,立即看到環繞周圍的一切,接下來他們思忖著弧形的天空和圓球狀的地球……

這時造物主說:「他們知曉所有……現在我們該怎麼對付他們?讓他們的目光只能觸及近旁,讓他們只能看到地球表面的一小部分……難道他們不是我們創造出來的簡單自然生物嗎?難道他們也必須是神邸?」

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