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“黑暗世界”粒子猎手:有望成为科学家发现暗物质和暗能量的线索

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(图片:©欧洲核子研究中心)

科学家们可能有了一种新的方法来窥探物理学的“黑暗世界”。

在一篇新论文中,理论物理学家们表示,他们有了一个寻找理论粒子(这些理论粒子目前为止还没被观察到)的新计划。这些被称为长寿粒子(LLPs,long-lived particles)的粒子,可能是我们了解暗物质和暗能量的一扇窗户。暗物质和暗能量加起来占宇宙的95%,暗物质会对普通物质施加引力,而暗能量则被认为是导致宇宙膨胀加速的原因。马里兰大学博士后研究员Zhen Liu说,这两种物质都无法被直接观测到,因为它们与宇宙发光物质之间的任何相互作用都非常微弱。

Liu还是参与这项新计划的研究人员之一,他说:“我们无法观察到它们。”

但LLPs可能会为这个黑暗世界提供一种与光明世界沟通的方式。Liu和他的同事们认为,通过调整世界上最大的原子加速器——瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机(LHC)的一些探测器,物理学家或许能够找到这些粒子。

平行世界

“黑暗世界”,也被称为“隐藏区”,里面描述了一组超越物理标准模型的假想粒子。(标准模型解释了质子、中子、电子以及所有伴随它们而来的奇怪亚原子粒子,如夸克、介子、中微子和希格斯玻色子。)

Liu说,如果所有这些“正常”的物质都在一个山谷里,那么黑暗世界就在一个山脊旁边的平行山谷里。要爬上那座山脊需要耗费大量的能量,所以黑暗世界粒子之间的相互作用非常强烈,但与另一边山谷里的粒子却只有轻微的相互作用。不过有些粒子可能能够通过一个叫做量子隧穿的过程,从黑暗世界里穿过这些能量屏障,进入我们通常遇到的那个光明世界。Liu说,这些粒子可能不会是与质子或中子等稳定粒子等价的暗物质粒子,反而可能更类似于更不稳定的标准模型粒子。

研究人员感兴趣的就是那些隧穿粒子。但是,芝加哥大学的理论物理学家Liantao Wang说,这些粒子是非常罕见的(如果它们存在的话)。大型强子对撞机以令人目眩的速度相互抛出质子,每秒能够产生10亿次碰撞,这些碰撞将质子粉碎成大量已知的标准模型粒子,但对于寻找“隐藏区”的科学家来说,所有这些粒子全部都是噪音,Wang说,他们感兴趣的粒子可能十年才会出现几次。

一种新方法

4月3日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的这篇新论文的作者是Wang,他和Liu以及他们的同事Jia Liu,该论文提出了一种观察这些稀有粒子的方法。

一切都取决于时机。Wang说,与大型强子对撞机大量制造的标准模型粒子相比,LLPs粒子应该是巨大而笨重的。Liu说,它们之所以缓慢是因为它们必须克服巨大的能量障碍才能来到普通物质的世界,但是它们蜗牛般的速度对物理学家来说反而是一个有用的特征。大型强子对撞机中的大多数基本粒子以光速运动并迅速衰变。例如,希格斯玻色子会在10 ^(- 22)秒内消失,衰变成一组更稳定的粒子。

不过LLPs粒子应该可以活得久一些,最多可以到0.1秒,Wang说,它们的速度也比光速慢。因此,调整大型强子对撞机的探测器,以寻找迟一点到达探测器的粒子,应该是探测到它们的关键。

Wang说,“这是一个非常简单的想法,但结果却令人惊讶地有效。”

Liu说,其中一些调整将随着大型强子对撞机的升级而自然完成,这次升级目前正在进行当中,升级完之后粒子对撞机将于2021年再次启用,届时对撞机的探测器将可以比目前更精确地测量粒子到达探测器的时间。他说,从那以后,只需要对软件进行一些调整,并确保使用对撞机的实验物理学家优先考虑搜索工作,大型强子对撞机的能力就能为研究所用。Wang和Liu说,他们现在正和他们的实验同事进行一系列的会议,以确保每个人的想法都是一致的。

“这会实现的,”Liu说。

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