暗物質的謎題仍無解，相關研究又一次受挫

1922年,天文學家雅各布斯.卡普坦(Jacobus Kapteyn)提出了一則假說,他認為人們可以通過星體系統的運動,間接的推測出星體周圍存在著一種不可見的物質,這一「不可見的物質」就是神秘莫測的暗物質(Dark matter)。直至1970年,維拉.魯賓(Vera Rubin)和肯特.福德(Kent Ford)對仙女座大星雲中的星體旋轉速度研究,獲取了暗物質存在的一個重要證據,科學界對暗物質的假說、資料和研究才提起興趣。

儘管科學界積累了大量關於暗物質的研究資料和成果,可暗物質的實質仍是撲朔迷離、眾說紛紜,比如一些科學家認為暗物質的實質是「弱相互作用大質量粒子」(weakly interacting massive particle,簡稱「WIMP」),另一些科學家認為「軸子」(axion)才是暗物質的實質,還有一小部分科學家認為「原初黑洞」才是暗物質的實質等等。近日,麻省理工學院的一支研究團隊再一次挑戰關於暗物質的難題,他們希望探測到「軸子」的蛛絲馬跡,但事與願違,他們並未發現質量介於0.31至8.3納米電子伏特範圍內的軸子,也就是說,這一質量範圍內的軸子並不存在。

(暗物質)

軸子是粒子物理學及天文學宇宙模型中假想的基本粒子,科學家們認為軸子是宇宙中質量最輕的粒子之一,約佔整個宇宙質量的85%左右,不過,它們與其他物質之間的相互作用極為微小。麻省理工學院的物理學教授林德利.溫斯洛說,若軸子真的存在,人們也看不見它們,不會影響到人們的日常生活,不過,它們會影響宇宙的膨脹、以及夜空中各個星系的形成。林德利.溫斯洛和同事們開展的這一項研究,乃是人類首次直接觀測軸子可能存在的空間,儘管這一研究以(暫時的)失敗而告終,但研究的開創性意義是不可抹殺的。

2016年,為了探尋軸子的蹤跡,麻省理工學院的三位理論物理學家提出了一項實驗的構想,即用一個放大的b場環裝置來探測軸子的共振。他們設計了一種小型的環狀磁鐵,放置於273.15℃的冷凍裝置中,模擬「磁星」的極端環境——磁星是一種特殊的中子星,它可以產生極其強大的磁場。他們認為,若軸子不存在,則環狀磁鐵的中央就沒有磁場;若軸子存在,則環狀磁鐵的中央會出現一個較小的磁場,探測器可以探測到這一較小的磁場。

(暗物質)

基於三位理論物理學家的構想,林德利.溫斯洛和同事們開始構建實驗,於2018年開展了實驗的首次試運行。同年的7月至8月,他們獲得了大量的實驗數據和樣本,此後的幾個月里,他們一直進行著樣本研究和數據分析的工作中,很可惜的是,他們沒有發現質量介於0.31至8.3納米電子伏特區間的軸子。

林德利.溫斯洛說,理論物理學家們構想的實驗是可行的,他們會繼續開展這一實驗,尋找更小、更弱的軸子。

(暗物質)

小考題:你認為暗物質是否存在?它們的實質是什麼呢?歡迎你留言討論。

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