寻找暗光子：维持宇宙的“第五种力”？

发布：cyqdesign 2019-09-23 08:51 阅读：13560

北京时间9月23日消息，据国外媒体报道，物理学家正在寻找一只“看不见的手”，它塑造了我们的宇宙以及其中无数的星系。具体而言，物理学家正在各种天体的背后寻找所谓的暗光子，这种神秘的物质似乎可以传递一种以前未知的自然力，科学家认为，正是暗光子调节着常规物质和暗物质之间的相互作用。

那么，这种自然力为何能对我们隐藏如此之久？长期以来，科学家已经知道，自然界存在着4种已知的力，它们拉扯、挤压和撕裂着常规物质，形成我们现在看到的一切。这4种已知的相互作用构成了我们日常生活的基石，它们分别是：将原子核结合在一起，但距离很短的强核力；神秘而又微弱的弱核力，控制着放射性衰变，并能对被称为中微子的亚原子粒子产生作用；在我们生活中影响巨大的电磁力；以及微妙的引力，它在4种已知力中最弱的，却又是作用范围最大的。

利用这4种基本力，物理学家可以描绘出亚原子和宏观世界。任何相互作用都离不开这4种力。然而，在我们的宇宙中，特别是在最大的尺度上，关于相互作用的谜团仍然很多。当我们缩小到星系或更小的尺度时，一些难以解释的事情发生了，科学家将这种难以解释的现象命名为暗物质。

暗物质是简单纯粹的呢，还是隐藏着某种未知的力量？现在，一个由国际物理学家团队试图解答这一问题，他们的研究结果发表在近期的预印本网站arXiv上。研究人员使用大型强子对撞机（LHC）的数据转储来寻找这种可能的基本作用力。目前，搜索结果仍然一无所获。这在某种程度上其实是好事，因为这意味着我们已知的物理定律仍然成立。只不过，我们仍然无法解释暗物质。

迷失在黑暗中

暗物质是一种假想的物质形式，据估计占宇宙总质量的80%左右。我们不知道是什么这些额外的无形物质是怎么产生的，但我们知道其存在，最大的线索来自引力。通过研究星系内恒星的运动和星团内星系的运动，以及宇宙中大尺度结构的演化，天文学家几乎一致得出了这样的结论：宇宙中存在着比可见物质更多的东西。

暗物质或许更应该被称为“隐形物质”，因为暗物质根本不与光相互作用，我们只能通过引力效应来推断其存在。如果暗物质能与光相互作用，或者说，如果暗物质与光的相互作用方式与常规物质相同的话，我们现在应该已经看到了这种神秘的物质。但就目前所知，暗物质既不吸收光，也不反射、折射、散射或发射光。对于暗物质，光只是不受欢迎的角色；它甚至可能不存在。

因此，现在很有可能有大量的暗物质粒子正在穿过你的身体。这些粒子流无穷无尽，其组合起来的质量可以通过引力的影响塑造星系的命运，但另一方面，它甚至不会与常规物质发生任何作用。

光的引入

由于我们不知道暗物质由什么构成，因此可以自由地想象各种各样的场景。在最简单的描绘中，暗物质无比庞大，是宇宙的基本组成。是的，暗物质构成了宇宙质量的绝大部分，但它只由数量无比丰富的单一粒子组成，除了拥有质量之外没有其他意义。这意味着，暗物质可以通过引力效应为人所知，但除此之外，它不会通过任何其他力与常规物质相互作用。因此，我们永远也看不到暗物质在做别的事情。

想象的场景更有趣。当理论物理学家感到无聊的时候，他们就会为暗物质可能是什么，以及更重要的是，我们如何才能探测到暗物质，做出一些猜想。一个有趣的暗物质理论认为，暗物质偶尔可以通过弱核力与常规物质相互作用。这个想法激发了当今世界各地的暗物质实验和探测器。

但是，这个理论仍然假设自然界中仍然只有4种基本作用力。如果暗物质是一种前所未见的粒子，那么我们完全有理由认为，它很可能具有一种（或者更多）以前未知的自然力，谁知道呢？这种潜在的力可能会让暗物质只与暗物质相互作用，也可能会让暗物质与暗能量纠缠在一起，还可能在宇宙的常规物质和隐形部分之间开辟一条新的“沟通”渠道。

暗光子的“崛起”

还有一个理论提出，光与暗物质（以及暗能量）之间的交流是通过所谓的“暗光子”，类似于我们熟悉的电磁力光子。我们不能直接看到或闻到暗光子，但它们可能会与我们所见的世界融合。根据该理论，暗物质会发射出暗光子，这是一种质量相对较大的粒子。这意味着，它们只在短时间内产生影响，与普通的光子大不相同。然而，有时一个暗光子可以与一个普通光子相互作用，改变后者的能量和轨道。

这是非常罕见的事件，否则，我们早就会注意到由此产生的电磁学现象了。因此，即使有暗光子，我们也不能直接看到暗物质，但我们可以通过检测电磁相互作用来嗅出暗光子的存在。一个暗光子可以通过与普通光子的相互作用来“窃取”能量。

但正如前文所说的，这需要大量的相互作用。人类已经建造了一些大规模的科学仪器，或许可以用于对这些相互作用的探索。在arXiv的论文中，物理学家还对欧洲核子研究中心（CERN）的第二大粒子加速器——超级质子同步加速器（Super Proton Synchrotron，简称SPS） ——3年实验的数据进行了分析。在实验中，科学家对质子进行了撞击，然后观察所产生的所有新粒子。

在撞击产生的“残骸”中，研究人员发现了很多电子。在三年的时间里，科学家计算出有超过200亿个电子的能量在100Gev以上。因为电子是带电粒子，并且倾向于彼此发生相互作用，所以实验中的高能电子也产生了大量的光子。如果暗光子存在，而且它们有时会与普通光子相互作用，并从中窃取能量的话，就会在实验中表现为缺乏光的缺失。

最终，数据分析并没有寻找到暗光子存在的证据，所有的普通光子都存在并被计算在内。不过，这并不能完全排除暗光子的存在。如果暗光子确实存在，那么它们的能量应该很低（根据实验结果，它们的能量很可能小于1GeV），而且极少与普通光子发生相互作用。无论如何，对暗光子的研究依然会继续。（来源：新浪科技）

关键词：光子

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