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用射电望远镜在中子星附近寻找暗物质

1970年代,物理学家发现了粒子物理学的标准模型中的一个问题,该模型描述了自然的四个基本力中的三个(电磁,弱和强相互作用;第四个是重力)。他们发现,虽然该理论预测应该打破我们宇宙中的粒子与力之间的对称性以及镜像版本,但实验却相反。理论与观察之间的这种不匹配被称为“强CP问题” — CP代表电荷+奇偶校验。CP问题是什么?为什么它困扰了近半个世纪的科学家?

在标准模型中,电磁在C(电荷共轭​​)下是对称的,它用反粒子代替了粒子。P(奇偶校验),将所有粒子替换为其镜像对应物;T(时间倒转),它将时间上向前的交互替换为时间上的向后交互,以及对称操作CP,CT,PT和CPT的组合。这意味着对电磁相互作用敏感的实验应该不能将原始系统与通过上述任一对称操作转换的系统区分开。

在电磁相互作用的情况下,该理论与观测值非常吻合。如预期的那样,问题出在两个核力量之一-强大的相互作用。事实证明,对于弱相互作用和强相互作用,该理论都允许违反组合的对称操作CP(在镜中反射粒子,然后将粒子更改为反粒子)。但是,到目前为止,仅因交互作用较弱而观察到违反CP的情况。

更具体地说,对于弱交互,CP违反发生在大约1,000分之一的水平,许多科学家期望强交互发生类似的冲突。然而,实验者已经广泛地寻找违反CP的规定,但没有结果。如果确实发生在强烈的交互作用中,那么它将被抑制超过十亿倍(10 9)。

绿岸望远镜在美国西弗吉尼亚州。信用:GBO / AUI / NSF

1977年,理论物理学家Roberto Peccei和Helen Quinn提出了一种可能的解决方案:他们假设了一种新的对称性,可以抑制强相互作用中违反CP的项,从而使该理论与观察结果相符。不久之后,史蒂文·温伯格和弗兰克·威尔泽克(分别获得1979年和2004年诺贝尔物理学奖)意识到,这种机制创造了一个全新的粒子。威尔切克(Wilczek)最终将这种新颗粒称为“轴心剂”,其名称是广受欢迎的同名餐具洗涤剂,因为它具有清除强烈CP问题的能力。

轴应为极轻的粒子,数量非常丰富,并且不带电荷。由于这些特性,轴是极好的暗物质候选者。暗物质约占宇宙质量的85%,但其基本性质仍是现代科学最大的谜团之一。发现暗物质是由轴构成的,将是现代科学的最伟大发现之一。

1983年,理论物理学家Pierre Sikivie发现轴心轴具有另一项非凡的特性:在存在电磁场的情况下,轴心轴有时有时会自发转换为易于检测的光子。曾经被认为是完全无法检测到的东西,只要有足够高浓度的轴和强磁场就可以被潜在地检测到。

宇宙中某些最强的磁场围绕中子星。由于这些物体也非常庞大,因此它们也可能吸引大量轴突暗物质颗粒。因此,物理学家提出了在中子星周围区域寻找轴突信号的建议。现在,一个国际研究团队,包括卡夫利宇宙物理与数学研究所(Kavli IPMU)的博士后奥斯卡·马西亚斯(Oscar Macias),已经用两台射电望远镜做到了这一点:美国的罗伯特·C·伯德·格林银行望远镜和德国Effelsberg 100米射电望远镜。

该搜索的目标是附近两个已知具有强磁场的中子星,以及银河系中心,据估计该中心将容纳十亿个中子星。该小组采样了1-GHz范围内的无线电频率,相当于5-11微电子伏特的轴突质量。由于没有看到信号,该团队能够对具有几个微电子伏特质量的轴突暗物质粒子施加迄今为止最强的限制。

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