玻色子云可以用來解釋“暗物質不是什麼”

暗物質的性質繼續使天文學家感到困惑。隨着對暗物質粒子的搜索繼續一無所獲,人們很想把暗物質模型完全放棄,但是關於這種東西的間接證據仍然很強大。那麼它是什麼呢?一個科研團隊又有一個新的想法,並且已經發表了他們第一次搜索的結果。

暗物質的條件意味着它不可能是常規物質。常規物質(原子、分子等)很容易吸收和發射光線。即使暗物質是冷到幾乎不發光的分子云,它們仍然可以通過它們吸收的光看到。它們會像銀河系平面附近常見的黑暗星雲一樣出現。但是它們的數量遠遠不夠,無法解釋我們觀察到的暗物質的影響。我們也排除了中微子的可能性。它們與光沒有強烈的相互作用,但中微子是一種”熱”暗物質的形式,因為中微子幾乎以光速移動。我們知道,大多數暗物質必須是遲緩的,因此是”冷的”。因此,如果暗物質存在,它一定是別的樣子。

在這項最新工作中,作者認為暗物質可能是由被稱為標量玻色子的粒子構成的。所有已知的物質都可以被歸為兩大類,即費米子和玻色子。一個粒子屬於哪一類,取決於一個被稱為自旋的量子屬性。像電子和夸克這樣的費米子具有分數自旋,如1/2或3/2。玻色子,如光子,有一個整數的自旋,如1或0。

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夸克和輕子是費米子,而力的載體是玻色子。

雖然這似乎是一個微不足道的區別,但這兩種粒子在大組中聚集在一起時,表現得非常不同。費米子永遠不可能佔據相同的量子態,所以當你試圖把它們擠在一起時,它們會相互推回去。這也是白矮星和中子星存在的原因。引力試圖將電子或中子推到一起,但費米壓力非常強大,它可以抵抗引力(到一定程度)。另一方面,玻色子則完全樂於佔據相同的狀態。因此,如果你對一堆玻色子(如氦-4)進行過冷處理,它們就會沉澱為一個奇怪的量子物體,即玻色-愛因斯坦凝聚物。

唯一已知的標量玻色子是希格斯玻色子。鑒於希格斯的已知特性,它不可能是暗物質,但一些理論提出了其他標量玻色子。這些標量玻色子不會與光發生強烈的相互作用,只與引力發生作用。由於光不能明顯地加熱它們,隨着時間的推移,這些標量玻色子會冷卻並坍縮成大雲。因此,也許暗物質是由大型的標量玻色子擴散雲組成的。

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中子星中夸克核心的插圖。

這是一個有趣的想法,但你怎麼能證明它呢?事實證明,由於標量玻色子的引力作用,它們也與引力波相互作用。根據它們的質量,標量玻色子也可能通過發射引力子進行衰變。因此,標量玻色子可能會產生具有類似頻率的持久的引力波,因此,該團隊查看了來自LIGO和Virgo的引力波數據。他們在20-600赫茲的範圍內尋找引力帶來的證據,但目前一無所獲。基於他們的工作,作者得出結論,我們的銀河系中沒有年輕的標量玻色子云。在距離地球3000光年的範圍內也沒有老的和冷的標量玻色子云。

這項研究並沒有完全排除標量玻色子,但它確實對這一想法做出了一些強有力的限定。而現在,這似乎就是暗物質的故事 – 在我們尋求發現它是什麼的過程中,我們也在繼續發現它不是什麼。

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