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宇宙射线有令人惊讶量的反物质。暗物质是负责的吗？

2024-10-12 15:43阅读：

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宇宙射线有令人惊讶量的反物质。暗物质是负责的吗？
By Robert Lea
published 2 hours ago
The Universe
“被检测到的反原子核量不能被宇宙中已知的过程解释” 。
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宇宙射线有令人惊讶量的反物质。暗物质是负责的吗？

一个粒子湮灭创造然后以反氦形式的反物质的描画。(Image credit: CERN)
一项新的研究提示在带电粒子
轰击地球叫宇宙射线的淋雨中一个过丰富的反物质可能揭示暗物质的秘密，宇宙的最神秘的“物质”。
暗物质对科学家代表这样一个挑战，因为它构成宇宙中物质的85%但效果上是不可见的因为它不与光相互作用。这意味着构成每一颗恒星、行星、月球、小行星、彗星、人类、书籍、咖啡杯和猫的每个原子都被暗物质过重了大约五比一。
由马德里理论物理研究所的刘珂（Pedro De la Torre Luque）领导的一个研究小组理论化在宇宙射线中不可解释量的对像质子和电子一样物质粒子相反的“镜像粒子”的反物质量可能是暗物质粒子湮灭的结果。然而，这种联系的精细细节可能澄清领先的暗物质嫌疑——弱相互作用大质量粒子即“WIMP”
刘珂告诉太空网站，“我们发现了检测到的反原子核尤其是反氦（相当于氦核的反物质）的量不能被用宇宙中已知的过程解释。反粒子在星际介质（恒星之间的气体和尘埃）中不是常见的，因此发现它们的一个高产量可能表明超出我们知道的过程”。
“特别是如果暗物质是一种粒子，预计它将罕见的湮灭并产生等量的粒子和反粒子” 。
该团队的研究可能对最广泛支持的暗物质候选是个坏消息，将科学家们发送回到乞求来理解宇宙的缺失质量的画图板。
不是这样子弱相互作用大质量粒子！
尽管它们仍然是被推测解释暗物质的顶尖嫌疑之一，但迄今为止弱相互作用大质量粒子已经仍然令人挫败的难以捉摸的。
刘珂说，“弱相互作用大质量粒子是一个通用的由粒子物理标准模型的许多最小扩展预测的粒子家族，但该模型解释我们知道的粒子和它们的相互作用，它们已经从未被观测到过，但它们对暗物质是绝佳的候选者，因为它们是中性的，它们可以被在早期宇宙中通过类似于创造已知粒子过程的机制产生” 。
弱相互作用大质量粒子的与剩下的标准模型粒子的微弱相互作用意味着它们可能已经躲过了我们目前实验的所有可能的检测。因此为什么如果它们构成暗物质它还没有被直接探测到。弱相互作用大质量粒子会引力上刚好像暗物质做的一样相互作用。这是至关重要的，因为正是暗物质的引力相互作用已经允许科学家来推断它的存在。因此，弱相互作用大质量粒子和暗物质也在这方面是很好的匹配。
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子弹星系团，在那里弱相互作用的暗物质（蓝色）已经穿过普通物质（粉红色），就像一个子弹旅行穿过苹果一样。 (Image credit: X-ray: NASA/ CXC/ CfA/ M.Markevitch, Optical and lensing map: NASA/STScI, Magellan/ U.Arizona/ D.Clowe, Lensing map: ESO/WFI)
关于暗物质的一个开放问题是是否包含暗物质的粒子彼此湮灭。湮灭指当一个物质粒子与它的反物质粒子相遇并它们彼此毁灭时发生的。例如，当一个电子遇到它的反粒子一个正电子时两者湮灭，它们的组成能量被释放进入宇宙。暗物质已经被提出靠极罕见的机会当它自我相互作用时“自我湮灭”。
刘珂说，“弱相互作用大质量粒子被预计来湮灭，产生等量的粒子对和反粒子。虽然我们预计通过我们知道的过程在星际介质中被创造的反粒子非常少量的，但因为我们知道暗物质渗透到我们的整个宇宙中，弱相互作用大质量粒子是我们对暗物质拥有的最佳候选者，人们能期待被这些弱相互作用大质量粒子在星系中创造的大量反粒子” 。
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一张图表显示暗物质对构成恒星、行星和猫的“日常”物质的比例。 (Image credit: Robert Lea (created with Canva))
该团队观察了宇宙射线中的氦和反氦的反粒子来试图发现弱相互作用大质量粒子湮灭的签名。与“普通”氦原子一样，反氦能有三到四个中子。这意味着它以两种同位素反氦-3和反氦-4而来。
国际空间站（ISS）上的阿尔法磁谱仪（AMS）02实验最近在宇宙射线中发现了非常相似量的反氦-3和反氦-4。当宇宙射线它们本身撞击并穿过星际介质时创造反粒子。然而，在宇宙射线中检测到的反氦的量远高于仅由宇宙射线粒子产生的反核生产预计的那些估计值。

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国际空间站是AMS02实验的所在地，该实验在宇宙射线中检测到一个过量的反物质。(Image credit: Bleecker Street)
该团队调查了是否弱相互作用大质量粒子暗物质候选者能解释这种反物质的过丰富。他们发现了弱相互作用大质量粒子湮灭可以解释反氦-3的过丰富但不能解释测量的反氦-4的量。
刘珂说，“虽然我们的预测揭示在乐观的计算下，我们能用弱相互作用大质量粒子作为暗物质解释反氦-3的观测，但我们期望弱相互作用大质量粒子一定产生远更少量的反氦-4。事实上一个不到1000的因子，因为它比反氦-3更重。我们发现弱相互作用大质量粒子不能轻易解释这些观测结果，为解决这个秘密，我们将需要甚至更异域的暗物质模型'。
虽然这最初看起来像坏消息一样，但将弱相互作用大质量粒子视为满足暗物质所有要求的“奇迹粒子”的观点已经导致了许多其他粒子模型的有效放弃。
其中一些弱相互作用大质量粒子替代方案现在可能是回到桌面上，非粒子解释可能如此，例如暗物质可能被包含在大爆炸期间创造的亚原子大小的“原始黑洞”的想法。
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刘珂总结道，“如果这种反原子核的产生是星系中一种未知粒子的结果，这种粒子应该有非常特殊的属性来产生反氦。如果我们发现这种粒子能解释目前暗物质的所有观测，并且它可能已经逃脱了在粒子加速器上新粒子的所有研究这将是一个伟大的暗物质候选者，反氦的探测可能是我们来调查它的唯一方法” 。
该团队的研究于10月4日发表在Journal of Cosmology and Astroparticle Physics上
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