欧洲核子研究中心实验帮助缩小狩猎暗物质

    欧洲核子研究中心（CERN）的NA64实验用一个高能μ介子束技术来推进对难以捉摸的暗物质的搜索，为解决天文学最大的秘密之一提供新希望。

HARD SCIENCE — JUNE 20, 2024

Don Lincoln

Credit: Андрей Осадчук / Adobe Stock

关键要点

     天文学家已经长期观测到星系比预期的更快旋转，提示存在一种叫暗物质的看不见的物质。

    尽管广泛的努力，但已经没有发现暗物质的直接证据，促使欧洲核子研究中心科学家来用NA64设施来搜索用高能μ介子的暗物质的更轻形式。

    初步的结果已经排除一些暗物质场景，未来实验中的改进可能增强探测这种难以捉摸的物质的机会。

    在过去的半个世纪里，天文学家已经面临一个令人尴尬的问题：星系太快旋转。当天文学家测量在星系的周边的恒星速度时它们比预期的远更高。宛如一团看不见的物质的云包围宇宙中几乎每个星系一样。这种物质引力上相互作用，既不吸收也不发射光。天文学家甚至对这种幽灵般的物质有一个名字：暗物质。

    问题是尽管数十年的努力，但仍一直没有观察到暗物质的直接证据。工作在欧洲中欧洲核子研究中心实验室的科学家创建了一个将为搜索这种难以捉摸的物质提供新能力的设施。他们最近发布了他们的第一批结果。

NA64

    NA64用欧洲核子研究中心NA64设施，科学家们采用了一种高能μ介子束来搜索一种已经被先前搜索忽视的暗物质形式。这项努力遵循搜索有特定属性暗物质实验的一个悠久历史的脚步。

    虽然快速旋转的星系的证据是暗物质存在的非常强有力的证据，但它的属性是不知道的，单个暗物质粒子的可能质量跨越着一个巨大的范围。在轻方面，一种理论提出单个粒子有一个远比电子更低的质量。在重的方面，单个暗物质粒子可能是太阳质量的30倍。

     自 1990 年代以来，各种实验已经排除了一些可能性，例如，大多数科学家现在排除非常重的暗物质，更喜欢其中单个暗物质粒子是原子或更小尺寸的模型。在 2000 年代初期，科学界偏爱其中暗物质粒子处在一个质子到至多比那个更重几千倍质量范围内的模型。然而，随2010年世界上最强大的粒子加速器大型强子对撞机开始运行，这种形式的暗物质正在变得越发的不被喜爱。

    NA64设施被涉及来寻找可能的更轻形式的暗物质。NA64实验不是试图来直接探测它，而是依赖于暗物质不与普通物质相互作用的事实作为一种来探测它的方式。

    能量守恒是物理学的一个核心原理。它说能量既不能被创造也不能被毁灭。如果你一次测量一个系统的能量，无论发生什么它将仍然相同的。这就像一个不支付利息的银行账户一样。凡是你存入的，你能取出。如果这两个数字不平衡，某人偷走了你的一些钱。

    NA64实验的基本原理是相似的。高能μ介子撞击一个目标，与原子核相互作用。在碰撞后碎片的能量被测量。如果在碰撞后的能量小于碰撞之前的能量，那么能量不知怎的逃逸了，未被探测到。一种可能性是一个暗物质粒子被创造。因为暗物质不相互作用，它会不相互作用已经穿过探测器。本质上，你知道它在那里，因为你没有看到它。

    NA64实验寻找处在一个质子质量的0.5%至50%范围内的暗物质。除了是一个已经没有被用一个μ介子束充分探索的质量范围外，这个范围也因其他理由是偶然发生的。

    μ介子本质上是重电子。它们有与电子相同的电荷和自旋特性，但μ介子是更重的。既有电荷又有自旋意味着μ介子就像微小磁铁行为一样，在过去的几十年里，μ介子的磁属性一直是神秘的。对这种磁属性给的名称是“μ介子g-2”，科学家们已经非常精确的既预测又测量了μ介子g-2。他们对7个位数一个数字一个数字同意，然后不同意第八位中的。测量被μ介子g-2合作做出，预测被μ介子g-2理论倡议做出。

    有数据和预测不一致不是内在的令人惊讶的。毕竟，测量和理论预测罕见的刚好一致。然而，如果理论是正确的并且测量是准确的，这两者应该是接近并且应该在所述的不确定度内一致.

未来的实验

    最最近的测量和预测与所述的不确定性不一致，这在科学界内已经引发一场讨论的风暴。当非常精确的预测和测量不一致时这往往是一个一个即将的发现的迹象。这样，任何μ介子的测量都可以帮助解决这种情况。

    NA64合作研究了200亿次μ介子的碰撞，寻找有适当缺失能量的碰撞。没有一个被观测到。这一结果既排除一个范围的暗物质场景，也排除了对μ介子g-2秘密的某些解释。

    NA64实验仍在被开发，预计未来的改进将要创造被研究的μ介子数量增加一千倍。与增加的光束一道，改进的设备将造成与误测μ介子能量相关的测量不确定度降低十倍。当这两项改进被取得时，由此产生的仪器将重大的改进实验的能力，未来的测量可能会发现难以捉摸的暗物质是可能的。

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