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龙非世间物 饶洛溪 暗物质粒子,可能和行星大小一样? 如何易水上下句

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发表于 2019-6-11 14:02 | 显示全部楼层 |阅读模式


你对黑洞产生行星大小的漩涡状粒子云的想法会做出什么反应呢?这些粒子可能是被认为是将星系连接在一起的暗物质。当我们在加拿大滑铁卢外围理论物理研究所的办公室见面时,阿西米娜·阿尔瓦尼塔基(Asimina Arvanitaki)告诉我“一开始,我们认为这是荒谬的。”
但这类东西是阿尔瓦尼塔基的特长。作为阿里斯塔丘斯理论物理主席,她通过接受被忽视的想法(不管听起来多么离谱),然后设计出精巧、廉价的实验来检验这些想法,从而使自己名声大噪。
在许多人似乎越来越难在理论物理和实验中找到匹配的想法的时候,她的诀窍,再加上她偏离既定道路的倾向,这些都让阿尔瓦尼塔基与众不同。
她想不起自己决定花一生时间与宇宙的奥秘作斗争的时刻,但她还记得小时候在希腊时,她发现了光速的价值。她说:“我计算过,光从太阳传到地球需要8分钟,然后我意识到,我们总是看到过去的事情,我们永远看不到现在。”
她喜欢太空,但她也喜欢汽车,高中时她必须在工程和物理之间做出决定。“我意识到,我更感兴趣的是理解事物为何运作,而不是如何运作。”
这些天,她的目标是发现一些真正的怪异的东西。尽管我们对物质及其工作原理的最好描述是一项伟大的成就,描述了在一组整齐的方程中所有已知的粒子和四种基本力中的三种,但它远不是完美的。我们称这幅景象为标准模型,但它与重力或暗物质无关。它也不能解释为什么重力如此微弱,以至于每次你拿起一杯水时,你都能克服整个行星的引力。


粉碎物理学
对这些奥秘的暗示是来自于瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机(LHC)的物理实验。历史上,制造能以更高的能量将粒子粉碎的机器总是会带来新的发现。该领域的许多人相信,大型强子对撞机将通过寻找超对称性的证据来仿效这一想法,这种优雅的想法几乎可以解决所有问题,包括暗物质的奥秘。但这并没有成功,导致一些人质疑我们如何做出这样的推测,而另一些人则要求制造一台更大的对撞机。
但是阿尔瓦尼塔基也有其他的想法。她说:“我们知道,作为年轻人,大多数关于它可能发现什么的好想法都已经实现了。我们不想反悔。”于是,时任加利福尼亚斯坦福大学研究生的阿尔瓦尼塔基开始着手围绕物理提出的实体,这些实体不可能在对撞机上显露出来。
她被吸引到轴子上,这是20世纪70年代提出的一种假想粒子,用来解决一个被称为电荷宇称问题的谜团。超轻,他们没有电荷,但产生了一个全新的力量。它们是暗物质的一个很好的候选者。问题是,它们所携带的力与其他粒子的相互作用是非常之弱,以至于它们永远不会出现在大型强子对撞机(LHC)上。这或许可以解释为什么轴子不受青睐,这一点以及重量级粒子从超对称性中自然产生的事实,鼓励科学家建造复杂的探测器,试图将它们赶出来。
然而,在2010年,阿尔瓦尼塔基和她的同事们发现了一种方法,通过把弦理论加入其中来复活轴子。这个完整的弦理论的一些版本在10个维度中运作。我们认识之外的六维度必须以精心设计的方式收拢,以适应难以想象的狭小空间,否则我们就会看到他们。按照阿尔瓦尼塔基的说法,正是这种丰富的、额外的维度结构导致了各种超轻型轴子的产生,她称之为弦公理。
“我们认为粒子很小,但从理论上讲,它们可以和星系一样大。”
让我们回到行星大小的粒子。当阿尔瓦尼塔基写出弦公理的想法时,一位来访的同事问她是否听说过黑洞的超辐射。她并没有。然而,一旦她花了一年的时间来考虑这个想法,她意识到,如果轴子真的存在的话,这可以给我们一个独特的机会来发现他们。


超辐射是在某些类型的激光中用来倍增光子的一个成熟的过程。它也适用于天体物理尺度。基本上,如果你有一个光粒子,然后你向一个旋转的黑洞发射它,它就会从黑洞中提取能量和角动量。现在,如果你做同样的事情,但是把无质量的光子换成一个有质量的带力粒子,比如轴子,引力就会把它限制在黑洞附近。在这种情况下,几乎就像这些轴子粒子被卡在黑洞和一个完美球面镜的表面之间。
阿尔瓦尼塔基说:“现在,轴子从旋转的黑洞中散射出来,但随后又不断地来回反弹,最终放大成指数级。”她补充说,在这个超辐射的版本中,将会产生无数的轴子云,这些轴子将以一种有序的方式排列,很像那些原子轨道的照片,只是规模很大”。
问题是,要制造这些“黑洞原子”,轴子波长必须和黑洞的宽度一样长。但这在这里不是问题,因为波长与质量成反比,而对于轴子,我们谈论的是非常轻的粒子。阿尔瓦尼塔基说:“我们倾向于认为粒子很小,但从理论上讲,它们也可以像星系那样大。”
所有这些都是众所周知的,至少对少数人来说是这样。阿尔瓦尼塔基和她的同事最近发现,这些轴子云可以在引力波中显露出来,引力波是2015年激光干涉引力波观测台(LIGO)首次探测到的时空中微弱的涟漪。在这种情况下,你不需要黑洞撞击在一起。在云中相撞的轴子应该会互相湮灭,产生引力子,而引力子被认为是构成引力波的粒子。从本质上讲,轴子和黑洞结合在一起产生了戏剧性的效果,产生了阿尔瓦尼塔基所说的“引力信标”,它们向各个方向闪耀着。阿尔瓦尼塔基一直在与LIGO的研究人员合作,为探测器的第三次运行做准备,该探测器于今年4月开始,很快就探测到了引力波。预计每隔几个星期就会找到一些引力波。
阿尔瓦尼塔基是新一代粒子物理学家中的一员,他们不是通过发明更复杂的理论,而是通过找出在哪里以及如何寻找新的东西来实现他们的目标。她说:“当大自然告诉我们它没有按照我们认为的方式工作时,我们必须朝其他方向看。”
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