【科學科普】為找到「暗物質」,科學家要召喚黑宇宙的「幽靈」

天空之城 2020/11/21 檢舉 我要评论

我們生活在一個光明宇宙,但這只占宇宙質量的20%。宇宙質量的另外80%我們看不見也摸不著,屬於宇宙的黑暗面。

而支配著這些黑宇宙的「幽靈」就是「暗物質」。它們產生的引力,讓宇宙中的物質能夠聚集在一起,形成星系、恒星、行星;它們是萬物的本源,宇宙的骨架。

科學家構想了很多可能,試圖解釋暗物質的本質,尋找它們的蹤跡,但是至今一無所獲。而在眾多理論中,有一種認為,暗物質是由一種名叫「軸子(axion)」的粒子構成的。

「軸子」一說最早見於上世紀七十年代,是量子色動力學的產物。量子色動力學的研究領域,是基本粒子組成原子核的方式。為了具有解釋力,當時的物理學家必須假設許多已知粒子具有某些怪異的特點,而這些特點實際上並不存在。為了避免這種情況出現,一種新的假想粒子被提了出來,這種粒子就是「軸子」。

隨後人們又發現,「軸子」的概念也可以被運用到宇宙學中,成為暗物質的候選粒子。

雖然時至今日,也沒有人發現「軸子」存在的確鑿證據;但是人們發現,我們可以通過一些間接的方法,感知「軸子」的某些特性。

例如,近日日本物理化學研究所(RIKEN)的科學家日高義正(Yoshimasa Hidaka)等人認為,我們可以通過探測一種特殊的電壓信號,來尋找「軸子」和「暗物質」的存在。

有一種「拓撲絕緣體」,具有表面導電,內部絕緣的奇異特性。不僅如此,這種材料在特定的情況下,其內部的電子會聚集在一起運動,產生異常的電壓。

理論上,「軸子」會在這個過程中現身。它會在拓撲絕緣體中,以一種特殊的方式和光子相互作用。

雖然「軸子」是點狀的,但是研究人員發現,在「拓撲絕緣體」中,光子實際上是和線狀的「軸子弦」相互作用,通過「反常霍爾效應」產生異常電壓。

研究人員認為,鑒於已經發現了這一現象的數學結構,那麼只要我們能夠探測到這種電壓,就可以間接證明「軸子」,以及「暗物質」的存在。

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