破解暗物质的新线索:六夸克粒子


破解暗物质的新线索:六夸克粒子

对宇宙网络的模拟,其框架似乎由暗物质组成


在我们这个宇宙中存在着一种主要的物质,除了它所产生的引力之外,它既不可见、也无法被探测到,这就是神秘的“暗物质”。一些科学家认为,这种神秘的“暗物质”一定是由未知的粒子组成的,而另一些科学家则认为一个熟悉的粒子可能是问题的关键。

尽管人们在不断寻找可以解释暗物质对宇宙造成影响的东西,但暗物质仍然难以捉摸。但也一些科学家在猜想,暗物质是否可以用现有的物理定律来解释。其中一种观点认为,一种叫做六夸克的粒子(也称为六夸克)可以解释暗物质,而不需要任何新奇的新理论。

长期以来,科学家们一直有证据表明,宇宙的质量远比通过望远镜直接观测到的要大。这个质量似乎形成了宇宙的支架,并产生异常,如星系旋转太快,或来自星系团的引力扭曲了通过的光线,尽管并没有可见的物体进行扭曲。一个很受推崇的解释这些效应的候选者应运而生,它是一类被称为“弱相互作用大质量粒子(WIMPs)”的粒子族。但是经过几十年的寻找,弱相互作用大质量粒子仍然没有被发现,因此,科学家们对其他的想法越来越感兴趣。

设计和寻找新的粒子和粒子的新结构是粒子物理学的游戏名称。原子的中心是由质子和中子组成的,而质子和中子本身又是由夸克构成的。六种不同的夸克通常合并成两到三组,但粒子对撞机的物理学家已经开始发现更大的结构,比如四夸克(四夸克粒子)和五夸克(五夸克粒子)。但是,为什么不是一个六夸克,一个有六个夸克的粒子呢?

事实上,理论证据已经证明,这些六夸克构型的某些迭代可能是稳定粒子。如果是这样的话,纽约大学物理学先驱Glennys Farrar提出,这样的粒子可能是暗物质的基础。根据她2017年的一项研究,在更高的能量下,这种粒子可能以暗物质和普通物质的比例从原始宇宙中浓缩出来,科学家们今天看到的这种比例可能仍然存在于宇宙中。这个粒子的质量将是质子的两倍,并且与紧密结合的夸克(更具体地说,两个上夸克,两个下夸克,还有两个奇怪的夸克)保持稳定。也许最令人兴奋的是,Farrar的建议甚至预测了早期宇宙中暗物质的丰度,而不需要进行微调。基本上,如果暗物质存在,它应该与宇宙理论预测的丰度一样,不需要人类的调节。

物理学家Farrar甚至设计了一种方法来寻找这样的粒子。她解释说,六夸克暗物质会在地球的重力场中被捕获,并可能与地壳中的粒子核结合在一起。科学家可能会观察一种更重的氧,称为氧-18,然后比较这些氧-18原子核的质量是否与预期不同。当然,也有一些物理学家质疑Farrar所描述的六夸克是否真的存在,尽管她还在继续推进这项研究。

另一组物理学家认为,六夸克存在的证据已经开始在实验数据中积累。2011年,物理学家在德国进行一项名为WASA的实验,他们在COSY粒子加速器中观察到一种粒子,并认为它可能是一种被称为d*(2380)的六夸克粒子,它的质量为23.8亿电子伏特,是三夸克质子质量的两倍多一点。开展这项新研究的科学家计算出,这样的粒子可以形成一种稳定的云,称为:“玻色-爱因斯坦凝聚态”。虽然,目前的技术还无法制造出这种六夸克云,但实验可能会通过瞬间爆发的伽玛辐射,以及由这种云的坍塌所引起的其他粒子,找到它们在太空中存在的特征。

英国约克大学的科学家们计划与德国和美国的物理学家合作,以检验他们的理论。最令人兴奋的是,如果六夸克可以解释暗物质,那么使用现有的粒子物理标准模型,一个很容易理解的粒子就能解开这个谜团。

约克大学的科学家表示,我们的初步计算表明,d*(2380)粒子的凝聚是暗物质的一种可行的新候选者,这种新的可能性似乎值得进行更深入、更详细的研究。

然而,物理学家Farrar并不认为他们的建议有说服力,因为他们特定的六夸克的夸克结构需要一个大的正电荷(他们认为如果每个六夸克都与一个电子结合,这个问题就会被克服)。在Farrar看来,约克团队设计的六夸克似乎太脆弱了,无法像丰富的暗物质那样持续存在。

不管怎样,很明显,物理学家正在寻找新的途径来解释这个谜 —— 包括重新审视我们已经知道的理论。

对暗物质真实身份的探索将再一次继续。



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