假想的“暗光子”或许能揭开暗物质的奥秘

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这种大质量粒子可能是暗物质和组成星星、行星以及我们自身的日常物质之间的纽带。

一种假设存在的大质量粒子“暗光子”可能有助于揭示暗物质这个宇宙最神秘物质的秘密。

暗物质目前对物理学家来说是一个巨大的难题,因为尽管它可能占我们宇宙物质的高达85%,但它仍然基本无迹可寻。这是因为暗物质不像组成星星、行星甚至我们身体的日常物质那样与光互动。暗物质只能通过它与引力的相互作用以及对日常物质的影响来推断。

这种与光或者电磁辐射的奇异缺乏互动也揭示了暗物质不是由像质子和中子这样的粒子组成的原子。这个事实促使科学家寻找可能组成暗物质的粒子;这些粒子的数量必须比组成标准物质(也称为重子)的粒子多出5倍。

虽然暗光子通常不被认为是暗物质本身的候选粒子,但它们可以像“普通”光子一样充当力的载体。更具体地说,这些光子携带电磁力。如果它们确实携带某种暗电磁力,那么暗光子可以充当暗物质和普通重子物质之间的中间体。潜在地,这种桥梁会通过与标准光子的一种称为“动量耦合”的相互作用发生。

最终,理解这种界面可以反过来帮助我们理解暗物质。

“暗物质的存在已由引力相互作用牢固确立,但尽管全球物理学家做出了最佳努力,其精确本质仍然难以捉摸。”阿德莱德大学物理学荣休教授Anthony Thomas在一份声明中说。

Thomas参与的一个团队研究了暗光子如何可能通过与标准光子动量耦合影响超高能碰撞中的粒子。这些碰撞产生的副产品可以给科学家一个微观尺度的宇宙图景(比原子更小的尺度)以及这些水平上的物理定律。

“在我们最新研究中,我们检查暗光子可能对深非弹性散射过程的完整实验结果集产生的影响。”Thomas说。

非弹性散射来自于粒子之间发生的类似台球碰撞,当粒子相互碰撞并改变系统的动能时发生。这些非弹性碰撞首先在1922年以X射线散射在石墨薄箔上的形式观测到,可以通过它们对其他粒子如电子、μ子和中微子的影响帮助科学家窥探重子物质及重子本身的内部。

该团队采用了一种最先进的框架来测量这些其他粒子的分布,以观察组成质子和中子的夸克、反夸克和胶子碰撞后如何分布动量。该框架称为Jefferson Lab角动量(JAM)夸克分布函数全局分析框架。但是,研究人员修改了该框架背后的理论以允许暗光子的存在。

这一分析表明,与忽略暗光子的标准模型相比,暗光子假说是首选的。Thomas认为,这种优势在其他情况下将足以作为发现新粒子的证据。

尽管这项工作并没有实际证明暗光子的存在,但它肯定缩小了这个粒子可能存在的参数范围,并朝着理解它与标准光子会发生多强的动量耦合的方向推进。对于未来关于暗光子存在的研究,该团队建议改进对所研究系统的所有可观测量的统计分析。

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