新的暗物質將包括「暗光子」和「暗電磁」？

暗物質新的候選物和新探測暗物質的方法，加州大學戴維斯分校兩位理論物理學家提出了暗物質的新候選者，以及探測暗物質的可能方法。他們在西班牙格拉納達舉行的普朗克2019年會議上展示了其研究成果，並已提交出版。暗物質被認為只佔我們宇宙的四分之一多一點，其餘大部分甚至是更神秘的暗能量。

暗物質不能被直接看到，但是暗物質的存在是可以被探測到的，因為它的引力決定了遙遠星系和及其形狀。許多物理學家相信暗物質是由一些尚未被發現的粒子組成。一段時間以來，最受歡迎的候選者一直是弱相互作用大質量粒子(WIMP)。但是，儘管經過多年的努力，wimp到目前為止還沒有出現在旨在探測它們的實驗中。

加州大學戴維斯分校(UC Davis)物理學教授、論文合著者約翰·特寧(John Terning)說：我們仍然不知道暗物質是什麼，長期以來，WIMP一直是主要的暗物質候選者，但現在看來，這種可能性幾乎完全被排除了。另一種替代WIMP暗物質模型的方法是需要一種包括「暗光子」和其他粒子在內的「暗電磁」形式，暗光子將與「規則」光子有一些弱耦合。

（博科園-圖示）宇宙大尺度結構的模擬，藍色是暗物質絲，黃顏色是星系形成的地方。暗物質還不能被直接探測到，加州大學戴維斯分校的物理學家提出了一個新模型來解釋這一現象。圖片：Zarija Lukic/Lawrence Berkeley National Laboratory

在新論文中，Terning和博士後研究員Christopher Verhaaren給這個想法增加了一個轉折：一個暗磁「單極子」將與黑暗光子相互作用。在宏觀世界中，磁體總是有南北兩極，單極子是一種粒子，其作用類似於磁鐵的一端。單極子由量子理論預測，但從未在實驗中被觀測到。科學家們認為，暗磁單極子與暗光子和暗電子的相互作用，與理論預測的電子和光子與磁單極子相互作用的方式相同。

一種探測暗物質的新方法

這意味著一種檢測這些暗粒子的方法，物理學家保羅·狄拉克(Paul Dirac)預測，在單極子附近繞圈運動的電子，其波函數會發生相位變化。因為在量子理論中，電子既以粒子的形式存在，又以波的形式存在，所以同一個電子可以從單極子的任何一邊通過，從而使另一邊的相位略有偏離。這種被稱為「阿哈羅諾夫-玻姆效應」的干涉圖樣意味著，即使電子不穿過磁場，它也會受到磁場的影響。

Terning和Verhaaren認為：可以探測到一個暗單極子，因為它在電子經過時改變了電子的相位。這是一種新的暗物質，但它也提供了一種尋找暗物質的新方法。電子束相對容易獲得：電子顯微鏡在20世紀60年代被用來證明阿哈羅諾夫-玻姆效應，電子束技術已經隨著時間的推移而改進。從理論上講，暗物質粒子一直在穿過我們身體。

要在Terning和Verhaaren的模型中被探測到，單極子必須受到太陽激發。然後它們將以光速的千分之一到達地球，大約需要一個月的時間。另一方面，預測的相移非常小——例如，小於探測引力波所需的相移。然而，當LIGO引力波實驗第一次被提出時，使其成功的技術還不存在，相反，隨著時間的推移，這項技術得到了發展。

博科園｜研究/來自：加州大學戴維斯分校

參考期刊《arXiv》

Cite: arXiv:1906.00014

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