斟酌物理研究所等在宇宙学和暗物质前沿交叉研

2019-10-19 作者:奥门金沙手机娱乐网址   |   浏览(189)

自从剧集开始,制片方就希望我能够安排Sheldon和Leonard在连续的几集中用 白板 解决一个真实的难题,但实在没那么容易。如果他们解决的问题已有答案,那么任何人都可以做到,就没有什么惊喜可言。而如果他们尝试的是未解之谜,那就已经有成百上千人在钻研了,他们(其实是我)又怎么可能在短短一季节目中解出来呢?

今年3月,探测宇宙早期中性氢的21cm超精细电磁辐射的EDGES实验组宣布探测到了宇宙第一代恒星开始形成时的黎明时代(Cosmic Dawn,对应宇宙红移约17)相应的21cm 宇宙微波背景辐射吸收谱信号。这是人类历史上首次探测到来自宇宙黎明时代的信号,意义重大。但令人感到困惑的是,实验探测到的吸收信号幅度比标准宇宙学理论预测的可能最大幅度还大。迄今为止,标准宇宙学模型取得了巨大的成功,该理论框架相当准确地解释了宇宙的各种结构和性质。因此EDGES观测到的反常信号或许暗示着即将开启一个后ΛCDM宇宙学时代,并且可能为解开暗物质之谜提供一个新途径。这个发现暗示了宇宙黎明时代中性氢气体的温度比标准宇宙学理论预期的更冷(或光子背景温度比预期的更热)。一般来说,提高中性氢气体的温度比较容易,但降低很难,因为降低中性氢气体的温度需要温度更低的暗物质来冷却,这对各种暗物质模型带来了巨大的挑战。目前大多数暗物质模型难以自然地解释EDGES的结果,因为必须同时满足目前粒子物理、天体物理、宇宙学及暗物质探测实验的大量限制。

轴子理论:美丽的意外

我们需要一个既新鲜、又有迹可寻的难题。过了一个夏天,我终于有了主意:让物理学家看到一种前所未见的粒子,还可以顺便解决暗物质的难题。这种粒子可能充满着我们的银河系,用它们的引力使银河系在高速自转下也不至于散成碎片;但它们与其他物质的相互作用又如此微弱,往往悄无声息地横穿整个地球。

在关于它的假设被提出30余年后,我想出了一种新方法来寻找这种 “轴子”。

轴子(The Axion),在解决暗物质问题中的意义其实只是个美好的副产品。上个世纪70年代,轴子的提出是为了解释为什么强相互作用力(即量子色动力学)遵循的理论呈现出某种不可思议的对称性。之后人们开心地发现,银河系中所有的暗物质也都可以用轴子来解释。于是两个不相干的难题就这样同时得到了解释,如果优美可以作为一项指标,理论物理学家很可能会将这些问题视为尘埃落定。

不幸的是,物理学是一门实验科学,不能仅靠优美。历史废纸篓中的理论简单优雅,却是一派胡言。我们必须靠实验来求证。

EDGES宣布的结果引发了大量跟踪研究。近期,中国科学院理论物理研究所研究员李田军及其合作者提出利用一种暗物质候选粒子——轴子来自然地解释这种反常的冷却效应。相关研究成果已发表于 《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett. 121, 111301 。

求证:将望远镜指向太阳

在高温、高密度环境下,带电粒子会放射出大量轴子。太阳的中心温度高达1300万开尔文(※此处经读者指出后已更正),密度是水的150倍。正如白板上费曼的图表所示,这种环境下的电子会放射出可以被探测到的轴子。由于与其他物质间的相互作用极弱,它们会穿过太阳飞向四面八方,其中很少一部分能到达地球。

轴子的一个有趣之处在于,它们能够在强大且均匀的磁场中变成光,每个轴子对应一个光子。由于来自太阳核心的轴子带有1300万开尔文的高温,由它们转化来的光子已经是高能的X射线了。

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欧洲核子研究中心的轴子太阳望远镜,也就是CAST。其实就是冲着太阳的一大敦磁铁。

天体物理学家要做的,就是检测到这些来自太阳的轴子。欧洲核子研究中心(CERN)不仅有大型粒子对撞机,也配有一台指向太阳的智能望远镜(上图,超大清晰图像点击 CAST )。这台望远镜既要能够检测到悄无声息的轴子,又要免受更广泛的背景辐射干扰。

每一个清晨与黄昏,CERN的天体物理学家从大型粒子对撞机项目中借来原始的磁铁,把它指向太阳。他们把该项目称为“CAST_CERN轴子太阳望远镜”( the CERN Axion Solar Telescope )。当且仅当望远镜指向太阳时磁场中检测到X射线,就可以排除本地背景辐射的影响,确定检测到了轴子。不幸的是,这一天至今尚未到来。

轴子最初是为了解释Strong CP问题(即为什么在强相互作用中CP守恒)而引入的,是超出标准模型的新粒子。在包含轴子的标准模型扩展中,引入了额外的整体UPQ对称性,该对称性在Peccei-Quinn能标(远高于QCD手征对称性破缺能标)自发破缺,Goldstone 理论告诉我们该模型包含一个无质量的赝标Goldstone玻色场,即轴子场。由于QCD瞬子效应(Instanton Effect)破坏整体UPQ对称性,故此轴子场在QCD手征对称性破缺能标之下获得很小的质量。另外,源于超弦理论中二形式反对称张量场的四维紧致化,在弦论中也不可避免的存在类似属性的粒子,这类粒子一般称为类轴子。

机会:地球上的人造太阳

这套技术白白浪费掉了千千万的轴子。能够到达地球的轴子已是凤毛麟角,其中只有能进入磁铁前孔径的才能被探测到,大概在 1025 个轴子中才会有一个。其中,又只有极小的一部分会转化成光子。

太阳离我们实在太远了。不过,机会倒也不是没有。

加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室(The National Ignition Facility)的物理学家用192束激光照射重水小球,在地球上造出了一个人造太阳,尽管只维持了大约千亿分之一秒。

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物理学家用192束激光照射重水小球,在地球上造出了一个人造太阳。

他们把这套装置视为未来能源工厂的原型。尽管1000亿瓦的功率与太阳相比仍是天壤之别,但我们可以把轴子望远镜放到10米之外,而非太阳与地球1500亿米之遥。由于被检测到的几率与距离的平方成反比,最终结果一下子就增大了将近 1020 ,足够弥补功率下降带来的不足。

数字计算看上去非常不错,我为此十分激动。同时考虑距离和功率改变后,我估计这一方案的成功率大概是CERN的1000倍。另外,由于人造太阳只燃烧千亿分之一秒,背景干扰会被大大降低;由于磁场不需要跟随太阳运动,也可以使用更巨大的磁铁。

不过故事还没完,其实白板上的演算还会贯穿第3集。我猜哥伦比亚广播公司(CBS)大概想留点悬念吧。等到第3集播放了,我的计算结果也就会揭开。那么现在我要说的就是:精彩未完,下集再续……

更正说明:

由于编辑疏忽,误将 “The core of the Sun is over 13 million kelvins (over 23 millions degrees Farenheit)” 处理为 “太阳的中心温度高达1300万开尔文(约合1260摄氏度)”,此表述有误。这里不应单纯把华氏度换算为摄氏度。经读者指出,现已更正。多谢Ent 、不老神仙 以及fulkasn 。

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博主介绍: 大卫·萨尔兹保(David Saltzberg)是美国加州大学洛杉矶分校的物理、天文学教授。与此同时,他还担当着《生活大爆炸》的科学顾问。剧中Sheldon一伙所说的那些专业术语,全部出自此人之手。在他的博客里又进一步阐释了那些令人挠头的科学小知识。

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轴子和类轴子(Axion-Like Particles)属于WISPs (Weakly Interaction Sub-eV Particles),是一种理想的暗物质粒子候选者。轴子暗物质在早期宇宙演化的适当时期可通过引力相互作用在Condensed Regime形成玻色-爱因斯坦凝聚(Axion BEC),该凝聚态的量子特性使得中性氢气体与Axion的引力耦合得以加强。在此工作中,李田军及其合作者正是利用了暗物质轴子的玻色-爱因斯坦凝聚,在黎明时代前冷却中性气体氢,在此过程中,轴子凝聚形成的大尺度关联放大了这种冷却效应,因此,中性气体氢能够以一种简单合理的方式被冷却,最终自然地解释了EDGES观测到的反常信号。

近年来,轴子成为暗物质实验探测的一个重要方向,粒子物理、天体物理与宇宙学的交叉研究也越来越受关注。轴子是暗物质非常有希望的候选者,并且探测Axion实验的花费也相对较便宜,使得人们提出了各种寻找轴子的实验方案,有的已初步进行了实验并得到重要的物理结果,例如CERN的太阳轴子望远镜CAST实验和华盛顿大学的ADMX等。有的正在计划当中,例如由CAST升级的下一代IAXO实验,另外还有欧洲空间局的EUCLID宇宙大尺度巡天望远镜等。这些实验都非常有希望检验轴子暗物质理论的参数空间。该工作预言的轴子质量范围是10-450meV和100-450meV,正好处于下一代轴子探测实验IAXO及EUCLID的灵敏度范围内,故能被将来的实验检验。

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