她要在黑洞边缘,验证最疯狂的暗物质理论

  • 时间:
  • 浏览:41

  暗物质粒子是什么?这是萦绕在所有理论物理学家心中的疑团。物理学家相继提出了轴子、WIMP粒子等暗物质候选粒子,也试图通过天上地下的多个实验寻找暗物质,但它们仍然未见踪影。相比于这些微观世界中的候选粒子,希腊理论物理学家Asimina Arvanitaki提出的暗物质理论足够大胆。在她看来,形成于黑洞超辐射的暗物质粒子,足足有一颗行星那么大!这个与众不同的假说,是怎样提出的?

  特立独行

  “起初,我们也觉得这很荒谬。” 在加拿大圆周理论物理研究所的办公室中,Asimina Arvanitak这样说道。天文学家推测,宇宙中存在看不见的暗物质,它们为星系聚在一起提供引力。对于Arvanitak的想法——黑洞产生的行星大小的漩涡状粒子云就是暗物质,我们一点都不惊讶。

  这可是Arvanitaki的专长,她是第一位在圆周理论物理研究所获得教授职称的女性。她喜欢把被忽视的想法(不管它们听起来多么遥不可及)拿出来,然后设计出巧妙、便宜的实验来检验它们。

  Arvanitaki的专业能力,再加上她异乎寻常的工作风格,让她在这一领域别具一格。“我很容易感到无聊,”她说,“我想看看特别的东西。否则,还有什么意义呢?”

  Arvanitaki喜欢太空,也喜欢汽车,但她不得不在上高中时,在工程学和物理学之间作出选择。“我知道,我更感兴趣的是事情为什么会发生,而不是如何发生。”

  如今,她的目标是发现一些真正有意思的东西。粒子物理学的标准模型方程不仅描述了已知的所有粒子,还包括了这些粒子通过除了引力外的另外三种力如何相互作用。尽管这已经足够伟大了,但仍然远非完美:它没有提到引力,也没有提到暗物质,而且也不能解释引力为什么如此微弱,比如你每拿起一杯水就相当于克服了整个星球的引力。

  这些谜团的线索本应来自于物理学的旗舰实验——坐落于瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机(LHC)。许多业内人士都在期盼,大型强子对撞机能找到超对称粒子。超对称理论为每一个已知粒子引入了一个超重同伴,这或许可以解释暗物质的存在。但许多人对此表示怀疑,还有一些人则提议建造更大的对撞机。

  “作为年轻人,我们多少知道,很多方法都已经尝试过了。我们不想只研究别人已经研究过的东西。”于是,当时在斯坦福大学读研究生的Arvanitaki开始将目光投向那些不可能在对撞机中出现的东西。

  黑洞旁的轴子

  她被“轴子”(axion)所吸引。轴子是20世纪70年代提出的一种假想粒子,如果能证明轴子的存在,将破解粒子物理学领域的一个未解之谜——强相互作用的电荷-宇称问题。轴子非常轻,不带电荷,是暗物质的可能候选者。但问题是,轴子几乎不与宇宙间任何物质发生相互作用,所以它们永远不会出现在大型强子对撞机上。这可能是轴子失宠的原因之一。

  2010年,为了复活轴子理论,Arvanitaki和同事引入了弦论。弦论提出了十维空间(虽然还有待检验),除了现实世界中的四维,其余六维必须足够紧致,否则我们就能探测到它们了。根据Arvanitaki的观点,正是这种丰富的超维度结构产生了各种超轻轴子——她称之为“string axiverse”。

  行星大小的粒子云,正是基于这一猜想。当Arvanitaki写出“axiverse”的字符时,一位同事问她是否听说过黑洞超辐射。Arvanitaki没听过。但是,在花了一年时间思考后,她开始意识到,如果轴子确实存在,黑洞超辐射可能会让我们发现轴子。

  超辐射是一种在某些类型的激光中倍增光子的完备过程,同样适用于天体物理尺度。如果你有一个光子(根据量子力学,同时也是一种波),你向旋转的黑洞发射它,它会从黑洞中提取能量和角动量。换句话说,黑洞会给光子一个力。现在,如果你进行同样的操作,但是把无静止质量的光子换成有质量、带引力的粒子,比如轴子,情况就不一样了。

  “轴子波从旋转的黑洞散射,由于黑洞的引力,随后又反弹回来,如此往复。黑洞会不断将一些能量加给它们,最终轴子呈指数增强。”Arvanitaki说。黑洞超辐射会产生一团由轴子构成的巨大粒子云,这些轴子将以有序的方式排列,她补充说,“这很像原子轨道的形态,只是规模更大”。

  问题是,为了制造这些所谓的“黑洞原子”,轴子的波长必须与黑洞的直径一样。波长与质量成反比,但轴子偏偏属于质量超轻的粒子。“我们倾向于认为粒子很小,但理论上讲,它们没有理由不可以像星系一样大,”Arvanitaki说。

  对少数人来说,这并不陌生。Arvanitaki与同事最近发现,轴子云可见于引力波的信号中。在这种情况下,不需要黑洞相互碰撞,云团内轴子之间的碰撞湮灭会产生引力子——构成引力波的粒子。轴子和黑洞的结合,戏剧性地产生了Arvanitaki所描述的在各个方向都闪耀着的“引力信号”。Arvanitaki希望从引力波信号中找到这样特征性的信号。为此,她一直与LIGO的研究人员合作,准备探测器的第三次运行。这次运行在今年4月开始后,立即检测到了引力波。预计每隔几周,研究团队就会继续发现引力波信号。她将从这些信号中,继续寻找暗物质的线索。

猜你喜欢