研究人员试图创造暗物质

继续狩猎难以捉摸的粒子。

HARD SCIENCE — JULY 23, 2023

Don Lincoln

Credit: generalfmv / Adobe Stoc

关键要点

暗物质存在，但科学家现在不知道它由什么组成。  

     轴子是一种暗物质粒子候选，但它们从未被检测到。最近的一项实验质疑 “重轴子”的存在。

排除暗物质理论是进步。如果您已经丢失了车钥匙，您查看并排除的每个房间都会让您更接近找到您留下它们的房间。.

听起来并不沮丧，但我们生活在一个黑暗的宇宙中。尽管在美国西南中的高沙漠中一个夜空的灿烂，但这数十亿颗恒星和星系只是宇宙中物质的一个微小部分。一种叫暗物质的未知物质比熟悉的原子物质更五倍普遍。

尽管数十年的努力，但没有发现暗物质存在的直接证据，导致科学家们来广泛的思考暗物质可能是什么。现在，用一个在费米国家加速器实验室（Fermilab）的强大的粒子加速器，研究人员试图来创造一种非常轻形式的暗物质并于最近发表了他们的结果。

不是一个汉堡牛排三明治宇宙

几十年来，研究人员已经将暗物质想象为一种稳定的、电中性的有比一个质子更重百倍甚至数千倍质量的亚原子粒子。这些暗物质粒子非常微弱的与普通物质相互作用，也许只体验引力。这种假设的粒子被称为弱相互作用大质量粒子（WIMP）。在这相同的几十年中，已经做出了许多努力来验证或证伪该模型，但没有发现弱相互作用大质量粒子。

未能发现弱相互作用大质量粒子已经导致一些研究人员来考虑其他替代物。如果暗物质远更轻，比如说数十亿倍更轻会怎样呢？虽然这个猜想似乎极端的，但调查另一个量子秘密的研究人员发展了一种预测一种不同的可能的暗物质粒子的理论。这种暗物质的候选被称为轴子。

关于反物质和轴子

反物质是普通物质的相反，两者不能很好共存。将反物质与相应形式的物质结合它们湮灭。所有已知亚原子粒子的反物质等价物已经被观察到，例如质子、中子和电子的反物质版本。科学家甚至已经创造了一些反物质原子。

强核力是将原子核把持在一起的力。描述它的行为的理论说强力可以不一样的对待物质和反物质，而精确的测量没有显示差异。就已经能够来确定的最好的，强力相同的对待物质和反物质。

有一个说 “一切不被禁止的都是强制性的”叫极权主义的原则。这句格言最初被在一个政治环境弄出，已被物理学界拥抱。本质上这意味着任何能发生的事情将发生。如果没有发生，有一些禁止另外可能的行为的物理现象。如此，是什么正在保持强力不要不一样的与物质和反物质相互作用呢？

虽然对这个问题的答案是未知的，但在1977年，罗伯托·佩切（Roberto Peccei）和海伦·奎因（Helen Quinn）提出了一个恰好抵消了强力的来允许物质和反物质之间差异的能力的理论。这个理论的一个结果是它预测了一种叫轴子的粒子的存在。轴子会有很小的质量，是电中性的，并且已经被在大爆炸的最初时刻期间大量创造。因此，轴子是暗物质粒子的一个候选

轴子的搜索

因为轴子仍未被发现------真的它甚至可能不存在------它的质量是未知的。然而，许多计算提示它的质量应该是非常小，大约是在一个电子质量的十亿分之一的球场中。研究人员用各种聪明的技术寻找这些质量非常低的轴子，但这些努力已经没有发现任何东西。

鉴于未能发现低质量轴子，研究人员娱乐了另一个假设。假设轴子有一个比预期的更大的质量，比如说是一个电子质量的几百到几千倍。因为已经没有尝试过来寻找这样一个轴子，费米实验室的研究人员用一种叫ArgoNeuT探测器的设备来搜索它们。

ArgoNeuT探测器用放在一个中微子束中的四分之一吨液态氩来研究中微子相互作用。如果这些重轴子存在，那么它们可能在ArgoNeuT探测器中衰变成一对μ介子粒子。μ介子基本上是重电子，非常容易来观察。研究人员用费米实验室加速器来将12500亿（1.25×10^20）个高能质子粉碎成一个靶子，使来研究一个巨大量的中微子成为可能。

研究人员计算出，如果轴子不存在，他们会看到不到一个的两个有适当属性的μ介子被创造的实例。当进行实验时，没有必要的双μ介子产生的实例被观察到。测量结果与无轴子预测一致的事实意味着在ArgoNeuT探测器中没有观察到轴子。由此，研究人员能够来排除衰变成两个μ介子的重轴子产生的可能性。

当失败意味着成功时

来观察一个现象的失败从来都不像观察某些东西那样令人兴奋，但实验仍然是一个成功。鉴于研究人员相信暗物质存在，并且非常轻的暗物质可以解释天文学家的观测结果，对调查所有可能性是非常重要的。毕竟，排除暗物质理论是进步。如果您已经丢失了车钥匙，您查看并排除的每个房间都会让您更接近找到您留下它们的房间。

https://bigthink.com/hard-science/researchers-attempt-create-dark-matter-axions/