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惰性中微子暗物质的猜想,或许破灭:20年的观测,没有丝毫证据!

惰性中微子暗物质的猜想,或许破灭:20年的观测,没有丝毫证据!
2020年04月05日 23:30 新浪网 作者 博科园

  宇宙85%的物质是由暗物质组成,但却依然不知道暗物质到底是什么。密歇根大学、劳伦斯·伯克利国家实验室(Berkeley Lab)和加州大学伯克利分校的一项新研究,排除了之前从星系观测到神秘电磁信号的暗物质可能原因。在这项研究之前,人们曾寄予厚望,认为这些信号将给物理学家提供帮助识别暗物质的确凿证据。暗物质不能被直接观测到,因为它不吸收、反射或发射光线。

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  但科学家知道暗物质的存在,是因为它对其他物质有影响。例如,需要暗物质来解释将星系聚集在一起的引力。物理学家认为暗物质是中微子的近亲,也就是所谓的“惰性”中微子。中微子是不带电荷的亚原子粒子,很少与物质相互作用,在太阳内部发生核反应时释放。它们有很小的质量,但是这个质量不能用粒子物理的标准模型来解释。物理学家认为,惰性中微子,一种假设的粒子,可以解释这个质量,也可能是暗物质。

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  密歇根大学物理学助理教授、合著者本·萨夫迪(Ben Safdi)表示:研究人员应该能够探测到惰性中微子,因为它是不稳定的。惰性中微子衰变成普通的中微子和电磁辐射。然后,为了探测暗物质,物理学家扫描星系,以X射线发射的形式寻找这种电磁辐射。例如,2014年一项开创性研究发现了附近星系和星系团的过量X射线发射,这种发射似乎与衰变的惰性中微子暗物质发射一致。

  未发现惰性中微子是暗物质的证据

  现在,对XMM-牛顿空间X射线望远镜20年来拍摄星系的原始数据进行筛选分析后,没有发现任何证据表明惰性中微子是组成暗物质的物质。研究小组包括密歇根州立大学博士生克里斯托弗·甜点和伯克利实验室理论小组和伯克利理论物理中心的物理学家尼古拉斯·罗德,其研究成果发表在《科学》期刊上。研究人员表示:2014年的研究和后续研究证实,这个信号引起了天体物理学和粒子物理界的极大兴趣。

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  因为它有可能首次在微观层面上准确地知道暗物质是什么。新发现并不意味着暗物质不是惰性中微子,但它意味着与2014年的说法相反,到目前为止还没有实验证据表明它的存在。天基X射线望远镜,如XMM-牛顿望远镜,指向暗物质丰富的环境,以X射线信号的形式搜索这种微弱电磁辐射。2014年的发现将X射线发射命名为“3.5kev线”(kev代表千电子伏特)因为信号出现在X射线探测器上的位置。

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  研究利用XMM-牛顿空间X射线望远镜获取的20年档案数据,在银河系寻找这条线。物理学家知道暗物质聚集在星系周围,所以当之前的分析着眼于附近星系和星系团时,这些图像中的每一张都会捕捉到银河系暗物质光晕,研究小组使用这些图像来观察银河系中“最暗”的部分,这大大提高了之前寻找惰性微子暗物质的分析灵敏度。无论往哪里看,都应该有一些来自银河系光晕的暗物质流动,因为太阳系位于银河系中,在这项研究中,利用了我们生活在暗物质晕中的事实。

惰性中微子暗物质的猜想,或许破灭:20年的观测,没有丝毫证据!

  该研究的合著者、密歇根大学物理研究员、博士生克里斯托弗·德塞特表示:在3.5keV线被观测到的星系团也有很大背景信号,这在观察中充当噪音,可能会使人们很难准确定位可能与暗物质相关的特定信号。之所以要透过银河系暗物质晕来观察,是因为背景要低得多。例如,XMM-牛顿卫星拍摄了孤立物体的图像,比如银河系中的单个恒星。研究人员拍摄了这些图像,并遮蔽了原始感兴趣的物体,留下了原始而黑暗的环境,在其中寻找暗物质衰变的光晕。

惰性中微子暗物质的猜想,或许破灭:20年的观测,没有丝毫证据!

  结合20年这样的观察,使得对惰性中微子暗物质的探测达到了前所未有的水平。如果惰性微子是暗物质,如果它们的衰变导致3.5keV谱线发射,研究分析中观察到这条线,但却没有发现惰性中微子暗物质的证据。不幸的是,虽然这项研究确实给看起来可能是暗物质微观性质的第一个证据泼了一盆冷水,但它确实开辟了一种全新的方法来寻找暗物质,这可能会在不久的将来促使一项发现。

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  博科园|研究/来自:密歇根大学

  参考期刊《科学》

  博科园|科学、科技、科研、科普

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