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暗光子可能不存在,如果真的存在,那就太奇怪了!

到目前為止,對基本物理常數一種新的超精密測量,沒有發現任何被稱為暗光子的神秘粒子跡象。如果它們存在的話,這些普通光粒子假想的陰影雙胞胎將是解釋暗物質存在的一種方式,暗物質是一種神秘的物質,它不會發出光,卻會產生引力。但是精細結構常數的最精確測量——決定了電子和光子相互作用的強度,或者「耦合」——已經消除了在大範圍質量和耦合強度下暗光子的可能性。

圖片:Shutterstock

科學家們在一篇描述這項工作的新論文中寫道,如果它們確實存在,它們將比先前預測的要重得多。新論文的合著者之一加州大學伯克利分校的物理學家Holger Muller說:測量很強烈地排除了這些暗光子。通過與普通光子混合,理論上可以探測到暗光子,因為混合會對精細結構常數產生影響。但在這個新的精確測量中,暗光子的證據無處可尋。測量精細結構常數。物理學家使用標準模型,描述了亞原子粒子(如電子和光子)的物理學,來預測精細結構常數的價值。然而,首先需要知道電子的物理性質:它的磁矩。以往對常數的測量採用了間接預測方法,將標準模型預測與測量磁矩的實驗相結合。這項新研究採取了更直接的方法。

為了做到這一點,研究人員對銫原子做了一個微小的「原子噴泉」。原子在一個單一的流中向上發射,然後被激光擊中,迫使它們進入一個量子疊加,每個銫原子同時處於兩個位置。這造成了兩條溪流,自相矛盾地由相同的原子構成。當兩束銫原子重新組合在一起時,原子就會以一種正確的方式干擾自己,讓科學家計算出在激光照射下的光子時原子的速度。研究人員4月13日在《科學》(Science)雜誌上報道稱,由於速度顯示出這些原子受到了多大的作用力,因此光子和電子「兩兩」的強弱程度可以精確計算。


但是這和暗光子有什麼關係呢?

如果暗光子存在,它就像光子一樣是一種電磁力載體。但是與光子一樣,在普通物質的帶電粒子之間,暗光子會使暗物質粒子之間的電磁相互作用。暗光子不符合標準模型。所以如果它們真的存在,現實生活中的測量結果與標準模型的預測是不相符的。具體來說,精細結構常數的直接測量應該與間接測量和標準模型得出的前值不同。新的研究確實發現了精細結構常數的不同值,而不是標準模型所預測的,這可能表明暗光子的存在。但是有一個問題。他們發現的分歧「與你所期望的如果暗光子存在的方向相反」,這是分歧,但這是錯誤的方式。

然而仍有一條狹窄的逃逸路徑,理論上的暗光子可以逃離廢棄物理學理論的垃圾箱。粒子物理的領域有一個衡量結果意義的一般標準:典型的,一個真正意義重大的結果必須少於1/350萬的概率,因為隨機的機會,這是一個「5-∑」的意義水平。在這種情況下,這種測量和之前最精確的測量之間的區別僅僅是一個「2.5-σ」的意義水平,或者是由於隨機的機會而產生的1- 200的概率——這太過可能無法達到該領域的強大標準。

Muller說:這太離譜了,不能稱之為協議,但也不足以稱之為重大分歧,他稱這是「幾乎是灰色地帶」。但在這一點上,這可能無關緊要。如果測量結果一致,這將嚴重限制暗光子的可能性。如果測量結果不一致,分歧就在錯誤的方向上,這也是對他們不利的有力證據。就像你認為有人偷了你的錢,然後你在錢包里發現你的錢比以前多了。

博科園-科學科普|文:Meredith Fore/Live Science


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