在右边,中微子,暗物质的秘密?
来源:伊森·西格尔,来自他的新书《银河系之外》
基本粒子的标准模型已经完成。每个预测的粒子都在里面:
六个夸克和三种不同颜色的反夸克,
三个带电轻子(电子、μ子和τ中微子)及其相应的中微子,
六个轻子对应物,
八个胶子,三个重的和弱的玻色子(W+,W-,Z),光子和希格斯玻色子,
插图:希格斯玻色子
它们已经被直接探测到了。尽管标准模型取得了成功,实验粒子物理学也取得了巨大成功,但宇宙中仍有一些未解之谜,这两者可能是相互关联的。
其中一个谜团是暗物质。宇宙中所有“已知”的物质都来自标准模型,包括光子辐射、夸克、胶子和电子的正常物质,以及一小部分中微子的热暗物质。但是如果我们把所有的内容加起来,然后模拟结果,我们就不会得到像我们这样的宇宙。相反,你将得到一个抑制星系形成的地方,在那里恒星形成撕裂年轻的星系,重元素被注入星际空间空,岩石星系永远不会形成,在那里宇宙的大规模结构看起来非常不同。
图示:胶子(夸克间传递强相互作用的粒子)
为了得到我们今天的宇宙,我给你:
在宇宙微波背景下观察到的波动,
星系大小尺度的聚集特征,
螺旋星系和椭圆星系的旋转轮廓,
星系团的引力透镜效应和更多的观察,
除了标准模型预测的物质之外,你还需要额外的物质:某种暗物质。这种暗物质的含量必须是所有正常物质总和的五倍(标准模型),它必须足够大,必须聚集在一起,而且必须比光速慢。各种间接证据证明暗物质的存在,但我们从未直接探测到它。为了理解它的本质,我们必须这样做。
第二个谜是中微子的质量。标准模型中的所有其他粒子要么完全没有质量(如光子或胶子),要么质量相对较大(在相对较大但定义明确的范围内)。最轻的粒子,电子,质量约为5.11*105电子伏,而最重的顶夸克质量约为1.75*1011电子伏。这似乎是一个很大的范围,但使用小于400,000电子伏的系数来覆盖所有粒子是一个很好的选择。
说明:中微子,也被翻译成中微子,是轻子之一,也是构成自然界最基本的粒子之一。它们通常用符号ν来表示。中微子不带电荷,自旋为1/2,质量非常轻(有些不到电子的百万分之一),移动速度接近光速。
长期以来,人们认为中微子也没有质量。但是这个实验发现,电子、μ和τ中微子的质量非常小,但不是零,它们的重量在毫伏电子范围内,或者至少比电子轻1000万倍!
对于被预测为没有质量的粒子来说,这是一个问题。为什么它们不仅有质量,而且为什么它们的质量这么小?其中一个主要观点是中微子质量可以像跷跷板一样工作,这是一些科学家在20世纪70年代提出的。如你所见,我们看到的中微子是左旋的,也就是说,如果你把自己放在它们的运动方向上,它们都以同样的方式旋转。同样,所有的反中微子都是右旋的。
然而,如果你假设自然界有一个非常大的质量尺度,像一个大的统一尺度,那么中微子(左手和右手符号)可能有一个“正常”的质量,就像其他标准模型粒子一样,可以在跷跷板上保持平衡。但是随着重质量的出现,坐在跷跷板的一边把它们分开:左手中微子变得非常轻,而右手中微子变得非常重。
来源:公共领域图像,由伊森·西格尔修改。
这是中微子振荡的主要原因,也是中微子获得如此微小(但非零)质量的主要原因。但是,与其假设超对称性、额外维度、轴子或其他奇怪的暗物质解决方案,还有一个有趣的可能性:超重的右手中微子实际上可能是暗物质!与相同范围内的中微子质量(如轴子)或其他标准模型粒子(如超对称性或额外维度)不同,它们可能超重,并且比其他标准模型粒子重数十亿甚至数万亿倍。这个新的暗物质候选类有一个很棒的名字(由洛基·科尔布命名):软蛋!
资料来源:kolb,钟,Riotto,1998。
这种可能性之所以引人注目,是因为它来自已知的物理学,并解释了一个关于中微子质量的问题,也就是说,没有其他更好的、已知的替代解释。
在理论物理学中,解决所有未解决问题的最大力量之一是解决一个完全不同的未解决问题。对于暗物质来说,软物质是一种被低估的可能性。如果WIMPzillas是真实的,它们可以解释宇宙失去的一切,包括所有失去的质量,让我们看看今天的星系、星系团和大小尺度的结构。
资料来源:美国航天局;欧洲空局;古斯·伊林沃斯,丹·麦基,亚瑟,加州大学圣克鲁斯分校;莱顿大学布文;和HUDF09团队。
在探索暗物质的过程中,重要的是不仅要从微观角度思考,还要从宏观角度思考!
作者:伊森·西格尔
风云:蜜蜂
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