最終可能揭示宇宙奧秘的暗物質粒子是“兩全其美”

发表于 2025-11-02 14:48:47 来源：封金掛印網

深空的圖示。（圖片來源：agsandrew/Getty Images）
（神秘的地球uux.cn）據美國太空網（作者：Robert Lea）：一種新的暗物質模型為這種神秘物質的組成粒子提供了新的候選物質，這可能意味著未來的實驗可以檢測到它。
盡管暗物質占宇宙物質的85%，但由於它似乎不像構成恒星、行星和我們的“正常”日常物質那樣與光相互作用，暗物質仍然令人沮喪地無法探測到，這種引力的影響可以防止星係在旋轉時撕裂。
新模型表明，暗物質可能由其作者稱之為HighlY Interactive ParticleE遺跡或HYPERs的物質組成。這一新模型表明，在早期宇宙中暗物質形成後，它與日常重子物質相互作用的強度會突然增加。這一HYPER模型的結果是，在當前的宇宙時代，暗物質可以被探測到，同時也解釋了為什麽暗物質如此豐富。
這一新模型是由PRISMA+卓越集群博士後研究員吉利·埃勒（Gilly Elor）與密歇根大學科學家羅伯特·麥基（Robert McGehee）和阿倫·皮爾斯（Aaron Pierce）共同設計的。
“超暗物質模型提出並回答了這樣一個問題：光暗物質有多‘活躍’？”McGehee告訴Space.com。“從技術上講，在不久的將來直接探測實驗中，我們發現光暗物質從原子核散射的頻率有多高，這些實驗對比質子還輕的暗物質敏感。”
目前搜尋暗物質候選者的主要嫌疑人之一是所謂的“弱相互作用的大質量粒子”或“WIMP”。對這些和其他大質量粒子的搜索一直沒有結果，這一事實導致研究人員開始提出像超微粒這樣的較輕粒子作為暗物質候選者。
此外，目前的暗物質研究往往忽略了相變的概念，即一種物理狀態向另一種物理態的變化，如從固體向液體的轉變，這在日常物質中很常見。
HYPER模型依賴於相變，要求在早期宇宙中發生轉變，改變暗物質和日常物質的相互作用。HYPER模型背後的團隊認為，這種狀態的變化可能意味著暗物質實際上可以像今天一樣在宇宙中被探測到。
McGehee說：“我們發現，如果在早期宇宙中發生了一種特殊的、新的相變，這種暗物質的具體模型可能會實現。”。
最終可能揭示宇宙奧秘的暗物質粒子是“兩全其美”

這張3D地圖顯示了暗物質的大規模分布，由哈勃太空望遠鏡對弱引力透鏡的測量重建而成。（圖片來源：勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室）
暗物質的“兩全其美”
目前潛在的暗物質模型麵臨的挑戰是，如果他們認為暗物質與重子物質強烈相互作用，那麽早期宇宙中形成的暗物質數量將太少，不符合我們對宇宙的觀察。相反，產生適量暗物質的模型表明，重子物質與重子物質的相互作用太弱，目前無法通過實驗檢測到。
HYPER模型及其相變表明暗物質和重子物質之間的相互作用發生了一次突變。這允許McGehee所說的“兩全其美” — 既要創造出足夠數量的暗物質，也要與日常物質有足夠大的相互作用，以便被檢測到。
粒子物理學中的相互作用需要一個“介體”，一種特定的信使粒子，通常是攜帶力的玻色子，如光子，這是電磁力的信使粒子。
暗物質和普通物質之間的相互作用也需要一個媒介。相互作用的強度取決於介體粒子的質量，質量越大，相互作用越弱。因此，在這種情況下，介體必須足夠重，以形成正確數量的暗物質，同時仍然足夠輕，以允許與物質發生可檢測的相互作用。
HYPER模型中的上述相變表明，隨著暗物質形成後發生的這種變化，介體粒子的質量突然降低。這允許創建推斷的量，同時允許與普通物質的增強相互作用，從而導致散射事件，從而可以直接檢測到暗物質。
雖然HYPER模型可以解決與開發暗物質模型相關的一些挑戰，但創建它絕非易事。
“這項研究讓我感到震驚的一點是，要繞過對暗物質的通常限製是多麽困難，”McGehee說。“當我第一次想到相變如何繞過嚴格的宇宙學約束，並提供一個嚴肅的暗物質基準時，我非常興奮，天真地希望在幾個月內寫出一篇論文。
“幾年後，我和我的合作者發現，即使是這種相變的假設，也不足以保證任何新的暗物質模型都必須麵對並克服許多嚴重的界限。”
McGehee指出，如果未來的暗物質探測實驗發現，似乎很輕的暗物質經常從原子核上散射，HYPER模型可能是物理學家解釋這一觀察結果的唯一模型。
“這對我和我的合著者來說將是一個極其令人興奮的環境，”他總結道。
該團隊的研究發表在《物理評論快報》雜誌上。

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