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軸子+暗物質不存在,宇宙可能已有 267 億年歷史
2024-05-31 02:38:50 *
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作者 主題: 軸子+暗物質不存在,宇宙可能已有 267 億年歷史  (閱讀 5999 次)
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文章: 8374



« 於: 2011-01-19 11:46:25 »

暗物質不存在,宇宙可能已有 267 億年歷史
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證據傾向暗物質由假想粒子軸子構成
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暗物質候選人「變色龍粒子」,CERN 軸子太陽望遠鏡搜索未果


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 WIMP + 軸子
==

http://mag.udn.com/mag/newsstand/storypage.jsp?f_MAIN_ID=77&f_SUB_ID=234&f_ART_ID=291404


科學家認為宇宙裡充斥著某種不明型態的物質--暗物質,主要原因有兩個:除了因為恆星、星系與氣體雲的運動,好似遭受隱形物質的重力拉扯,也因為在輻射等過程中出現的謎團,都可藉由假設宇宙中存在著迄今仍未知的粒子來解決。

■一般認為暗物質的主要成份是「弱作用大質量粒子」(weakly interacting massive particle, WIMP),那是一種幾乎不與可見世界作用的粒子,平淡無趣是其主要特徵。

■但事實上暗物質是否可能擁有豐富的內在世界呢?努力想了解暗物質的粒子物理學家認為,它或許能夠透過各種形式的力來作用,包括一種我們根本看不見的光。

1846年9月23日,德國的柏林天文台台長加勒(Johann Gottfried Galle)收到了一封改變天文學發展史的信件。那封信寄自法國天文學家勒威耶(Urbain Le Verrier),他花了兩年研究天王星運動,認為天王星的路徑無法用已知的重力效應來解釋,因此應該存在一個尚未觀測到的天體,其重力牽引擾動了天王星的軌道,才能精確解釋觀測到的異常結果。當天晚上,加勒將望遠鏡對著勒威耶指出的方向,竟發現了海王星。

今天,類似的情節正在現代宇宙學的舞台上演:天文學家觀測到異常的宇宙運動,推論應有新物質存在,並眺望蒼穹以追索其蹤影。我們看見恆星與星系以不尋常的方式運動,正如同天王星的角色;而就像海王星所扮演的角色,我們推論有迄今尚未觀測到的新物質存在,暫且稱之為暗物質與暗能量。我們可以從觀測到的異常型態得到它們的一些基本特性。暗物質似乎是一片由不可見粒子構成的汪洋,不平均地充斥於太空;暗能量則均勻散佈,好像被織進空間結構本體一樣。雖然科學家仍無法重複加勒的壯舉,以儀器指向太空,瞥見這些隱形演員的身影,但像在粒子偵測器內出現的光點這類誘人的端倪,則還在持續累積中。

因為作用於天王星的隱晦力量而被發現的海王星,如今已經被證實是一個迷人的世界。暗物質與暗能量是否也會如此呢?科學家越來越傾向認為暗物質並不僅僅是為了解釋可見物質的運動而設計出來的物質,它可能是宇宙不為人知的一面,擁有豐富的內在,或許是個名副其實的粒子動物園,以新穎的自然力交互作用,並且與我們的宇宙整個交織在一起。

以往認為暗物質與暗能量是宇宙裡最孤僻的物質,如今人們已不再堅持這樣的想法。1930年代天文學家首次推論有暗物質的存在,當時他們認為它是惰性的。天文觀測顯示它與一般物質的比例是6:1,星系與星系團都嵌在暗物質巨球中,稱為「暈」。天文學家推測如此大量的物質要避免被直接偵測到,它勢必是由鮮少與一般物質、甚至同類粒子作用的物質構成,而唯一的作用是為發光物質提供重力支柱。

天文學家認為暈形成於早期宇宙,吸引了可進行各種作用的一般物質,並且發展成複雜的結構,而遲鈍的暗物質則維持原始的狀態。至於暗能量的作用似乎僅止於加速宇宙的膨脹,現有的證據指出,在宇宙的整個歷史中,它始終保持不變。

對原子與次原子世界內在運作的詳細研究雖然不屬於天文學領域,卻使暗物質的前景更有趣了。粒子物理學家一向習慣從已知物質的行為中,尋找未知型態物質的蛛絲馬跡,而他們觀察到的證據向來和宇宙的運動完全無關。

從粒子物理看見暗物質

暗物質的想法起源於1900年代早期關於放射性β衰變的發現,當時義大利理論物理學家費米(Enrico Fermi)假設有新的自然作用力與傳遞該作用力的粒子,導致原子核衰變。這種新作用力類似電磁力,而新粒子類似光子,但本質上是不同的。光子因不具質量而可高速運動,但費米認為新粒子必須很重,它們的質量必須限制其作用範圍,以便解釋為何只有原子核會分裂,而其他東西則不受影響。要能複製出觀測到的放射性同位素之半衰期,它們的質量必須非常大——質子質量的100倍左右,如果以粒子物理的標準單位來計算,大約是1000億電子伏特。

我們現在將這種新作用力稱為弱核力,而傳遞新作用力的粒子是在1980年代發現的W與Z粒子。它們雖然不是暗物質,但其性質暗示了暗物質的特性。首先,它們不應如此之重,它們的大質量暗示有某種不為人知的粒子促使它們承擔質量,就像你身旁的朋友慫恿你再多吃一塊糕餅一樣。大型強子對撞機的目標之一就是尋找那些粒子,它們的質量應與W和Z粒子相當。的確,物理學家認為許多類型的粒子正等著被發現——在超對稱機制下,每一種已知的粒子都應有與之配對的粒子存在。

這些假設的粒子包括了某種統稱為「弱作用大質量粒子」(WIMP)的物質,這種粒子只和弱核力作用。因為不與主宰日常生活世界的電磁力作用,它們完全不可見,並且對一般粒子鮮少有直接的效應。所以,它們是暗物質的最佳候選者。

但它們是否真的能夠解釋暗物質,取決於它們的數量,這是這項粒子物理理論真正引人注目之處。就像其他種類的粒子一樣,WIMP也誕生於狂暴的大霹靂。當時的高能粒子碰撞既可產生、也能湮滅WIMP,使宇宙中一直維持有WIMP存在。WIMP的數量隨時間改變,取決於由宇宙膨脹所驅動的兩項效應。第一項是太初原湯的冷卻效應,降低了可供製造WIMP的能量,因而縮減了它們的數量。第二項效應是粒子稀釋,將碰撞並湮滅WIMP的頻率逐漸減低到不再發生為止,這大約發生於大霹靂後10奈秒,WIMP的數量就此凍結。宇宙不再有足夠的能量產生WIMP,物質的密度也不再足以湮滅它們。

有了WIMP的預期質量,以及支配它們湮滅頻率的作用強度之後,物理學家便能輕易計算出留存下來的WIMP數量。令人訝異的是,在預估質量與作用強度的誤差範圍內,此數目竟與解釋暗物質所需的數量吻合。這項驚人的一致性稱為「WIMP巧合」,由粒子物理的世紀謎團所誘發的粒子,漂亮地解釋了宇宙學的觀測。

同樣的線索也指出WIMP應該是不怎麼活躍的遲鈍粒子。概估一下,從你開始閱讀本文到現在,已有將近10億顆這種粒子通過你的身體了,而除非你真是鴻運當頭,否則根本不會發生任何可察覺的效應,每年可能只有一顆WIMP會與你身體細胞內的原子碰撞而積存入極少的能量。為了偵測這類事件,物理學家以粒子偵測器長期監測體積龐大的液體等物質,天文學家也在星系內搜尋突發的大量輻射釋放事件,因為這可能代表WIMP環繞時罕見的碰撞與湮滅。第三種找尋WIMP的方式,則是設法在實驗室裡合成它們。
« 最後編輯時間: 2024-03-18 16:02:02 由 peter » 已記錄

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« 回覆文章 #1 於: 2017-11-13 16:12:32 »

http://www.sohu.com/a/203978234_616739

暗物質粒子被發現了?目前科學界尚無定論

暗物質探測的三種方法分別是加速器、直接探測和間接探測。間接探測指的是,在空間中通過探測暗物質粒子衰變或湮滅產生的穩定粒子
來尋找和研究暗物質粒子。我們周圍到處都有暗物質,因此也能做直接探測。而地下實驗室是開展粒子物理學、
天體物理學及宇宙學等領域一些重大基礎性前沿課題的重要研究場所,在四川錦屏山下,清華大學和上海交通大學等
研究機構的學者和工程師們正在努力探索暗物質的秘密。

而對撞機探測則是,讓已知的粒子對撞,如果真撞出來和暗物質的模型所預言的一樣的信號,那就認為是探測到暗物質了。
不過對撞機現在主要的任務還是尋找超對稱粒子。

....


此次暗物質粒子的研究對象是類軸子粒子。所謂的軸子(axion),是物理學家們構建的又一個暗物質理論模型,
即一種超出標準模型的基本粒子。當然,它和上文提到的WIMP模型一樣,屬于冷暗物質。

軸子是為了解決量子色動力學(QCD)中的強CP問題而提出的。量子色動力學是研究強相互作用,即原子核內核子
——質子和中子的結合的相互作用的一種理論。我們都知道,質子、電子等粒子帶有電荷,
但是你知道夸克、膠子等粒子帶有色荷嗎?
當然這并非是真正的顏色,而是一種方便的叫法,
就好比公孫龍名字叫龍,但他并不是真正的龍。
而色荷之所以這樣命名,據說是科學家們在吃冰淇淋球的時候想出的。

而強CP問題,或者說CP破壞,指的是電荷宇稱不守恒問題。軸子便是為了解決這個問題而提出的。但是目前對軸子的研究尚無定論,軸子甚至曾一度被科學家們判死刑。

而這個相關報告的研究者們分析了大量伽馬射線源,得到了很優美的擬合圖形。然而優美歸優美,科學最后還是要靠事實說話。暗物質之謎究竟何日揭曉?革命尚未成功,同志仍需努力啊。

===

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%BB%B8%E5%AD%90
軸子(axion)是一種假想的亞原子粒子,大約是1970年代為了解決CP守恆問題所提出的一個假想粒子,1977年的皮塞-奎恩理論(Peccei–Quinn theory)首先提到這個概念。目前義大利國立核子物理研究所(Istituto Nazionale di Fisica Nucleare)的PVLAS探測器正在不停努力的尋找它。

....

軸子曾被認為是暗物質的組成部分之一,但近年來一些學者卻將軸子從暗物質粒子的候選者中排除了

WIMP  暗物质最有希望的候选者
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« 回覆文章 #2 於: 2018-11-09 12:52:42 »

http://familystar.org.tw/index.php?option=com_smf&Itemid=35&topic=31382.0
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« 回覆文章 #3 於: 2019-07-08 14:32:51 »

https://technews.tw/2019/07/08/chameleon-particle-kwisp-detector-cern-axion-solar-telescope-dark-matter/

宇宙最大奧秘之一是為何它正在加速擴張,物理學家將之歸因於暗能量,並且提出各種暗物質粒子的候選人,其中一種較不為人知的稱為變色龍粒子(Chameleon particle)。現在,歐洲核子研究組織(CERN)團隊報告了搜尋變色龍粒子的第一份研究成果。

21 世紀最離奇的發現之一就是宇宙正在以越來越快的速度膨脹,我們沒有更好的術語可以形容,就暫且將這種推動宇宙膨脹的未知力量稱為暗能量。

目前,物理學家提出可能跟暗物質有關的粒子包括:軸子(Axion)、超軸子(Axino)、大質量弱相互作用粒子(WIMP)、惰性微中子(Sterile neutrino)、瞬子(instanton)、半自旋質量維度一費米子(mass dimension one fermions of spin one half)、暗光子(Dark photon)、黑洞子(Holeum)、變色龍粒子等,其中前 4 種粒子聲勢最高,吸引最多科學家投入研究。

而變色龍粒子由物理學家 Justin Khoury、Amanda Weltman 於 2004 年首度提出,就如其名,這種粒子是種能根據周圍環境改變自身狀態的假想奇異粒子,不過它們改變的不是顏色,而是質量。

在高密度區域(比如地球),變色龍粒子的質量很大,而我們知道在物理世界中,粒子和力是同一枚硬幣的兩面,所以此時變色龍粒子的基本力作用極微弱(小於 1 毫米);相反地,在低密度區域(比如星際空間)中,變色龍粒子質量會變非常小,但基本力作用極其強大,這種性質使變色龍粒子成為暗物質上等候選人——當然也跟變色龍一樣難搜索。

那我們真的完全沒辦法尋找變色龍粒子嗎?還是有機會。一種想法是變色龍粒子能與光子耦合,並且可被空心容器困住:當它們穿透壁面時,質量會急遽增加並反彈,因此科學家只要將光子引入空心腔室中,就能嘗試捕捉變色龍粒子的細微變化。

同時,變色龍粒子也可能由太陽產生,因此 CERN 一個研究小組決定利用 CERN 軸子太陽望遠鏡(CERN Axion Solar Telescope,CAST)尋找變色龍粒子,望遠鏡上安裝的 KWISP 薄膜探測器可以捕捉任何撞擊膜的變色龍粒子,第一批結果來自 2017 年 7 月為期 10 天(共 90 分鐘)的測試,遺憾的是:團隊未能發現任何變色龍粒子。

但是科學家不灰心,目前找不到並不代表粒子不存在(當然也可能真的不存在),但科學家可以透過這次實驗進一步限制出變色龍粒子的質量上限,讓未來的搜索範圍更精確。

新研究結果可從《ArXiv》網站閱讀。
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« 回覆文章 #4 於: 2020-03-04 21:07:47 »

https://www.cnbeta.com/articles/science/951205.htm 

约克大学的核物理学家提出了一种新的候选粒子,它可能构成了这种奇怪的物质。科学家们近一个世纪的观察和计算告诉我们,宇宙中存在的物质远远超过我们所看到的事物。这种未知的物质似乎仅通过重力与常规物质相互作用,并且不会发射,吸收或反射任何光-因此获得了暗物质的绰号。

几十年来,暗物质究竟由什么构成仍然是一个谜,但是物理学家提出了许多候选粒子。这些建议包括轴子、暗光子、弱相互作用的大质量粒子(WIMP)、超重引力子、矮行星质量的“宏观”粒子以及可能比“大爆炸”还要古老的标量粒子等。但事实是,所有这些粒子都是假设的,尽管进行了广泛的实验,但尚未确认它们的存在。这就是使新假设如此吸引人的原因–这种新提议的候选粒子已被发现。

该粒子在技术上被称为d *(2380),在2014年的一次实验中被发现。通常,质子和中子由三颗夸克(基本粒子)组成。而这种粒子包含六颗夸克的集合。这使d *(2380)成为玻色子,并且在某些条件下它们以不寻常的方式聚集在一起。例如,当冷却至接近绝对零度时,它们会形成玻色-爱因斯坦冷凝物(BEC),在这种状态下,粒子开始像一个大的“超原子”一样发挥作用。根据新的假设,这可能是暗物质的一种解释。约克大学的物理学家认为,在大爆炸之后不久,dd *(2380)就可以在玻色-爱因斯坦凝聚时聚集,足以产生暗物质所引起的影响。

该研究的合著者丹尼尔·沃茨(Daniel Watts)说:“我们的初步计算表明,d *(2380)的凝结物是可行的暗物质新候选物。这项新结果特别令人兴奋,因为它不需要任何物理新概念。”当然,在这个阶段这个想法仍然是假设的,需要进行进一步的研究。研究人员计划在实验室中测试他们的理论,并开始在天空中寻找各种信号。

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该研究的合著者米哈伊尔·巴什卡诺夫(Mikhail Bashkanov)说:“建立这种新的暗物质候选者的下一步将是更好地理解d星之间的相互作用-它们何时相互吸引、何时相互排斥。我们正在引领新的测量方法,以在原子核内创建d星,并观察其特性是否与在自由空间中时不同。”

这项研究发表在《Journal of Physics Letters》杂志上。
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« 回覆文章 #5 於: 2023-06-21 17:39:41 »

https://technews.tw/2023/06/21/axion-dark-matter/
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« 回覆文章 #6 於: 2023-06-21 17:41:07 »

證據傾向暗物質由假想粒子軸子構成 
https://technews.tw/2023/06/21/axion-dark-matter/

在尋找暗物質的路上,科學家可能終於知道它們的真實身分。多倫多大學團隊分析暗物質團塊時,發現暗物質分布比預期還要均勻,說明暗物質可能由假設的超輕粒子「軸子」組成。

暗物質雖然佔宇宙質量 85%,但因不與光相互作用,所以儀器看不見它們,科學家必須透過暗物質與一般物質的引力相互影響才能了解分布情況。

一些理論提出暗物質由軸子(axion)構成,由於軸子行為表現如波,與離散的點狀粒子不同,軸子波長可以比整個星系還大,這種模糊性會影響暗物質的形成與分布,有助於解釋為什麼在一些大型星系調查結果中,物質沒有那麼多團塊分布。

如何弄清暗物質對一般物質的影響?一種方法是回到宇宙最初看它如何擴散。多倫多大學天學家 Keir Rogers 團隊為此分析普朗克衛星、阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列、南極望遠鏡數據以研究宇宙微波背景輻射(CMB),接著分析 BOSS(Baryon Oscillation Spectroscopic Survey)數據的星系分布,比較宇宙「很久以前」與「現在」的樣子,繪製時間空間物質數量的波動圖。

大多數預測都認為宇宙存在更多團塊,但新分析表明團塊偏少。

隨後研究人員以電腦模擬具有長暗物質波的宇宙星系面貌,發現計算結果與 CMB 數據、BOSS 星系分布數據一致,支持暗物質可能由軸子組成的觀點。

研究人員表示,檢測到軸子粒子或可進一步暗示——能同時解釋重力與量子力學的弦理論是正確的,我們現在擁有的工具足以讓我們透過實驗了解暗物質這個百年之謎。

新論文發表在《Journal of Cosmology and Astroparticle Physics》期刊。
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« 回覆文章 #7 於: 2023-08-31 20:55:42 »

https://www.cnbeta.com.tw/articles/science/1380791.htm
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« 回覆文章 #8 於: 2024-03-04 08:00:11 »

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« 回覆文章 #9 於: 2024-03-18 16:02:42 »

暗物質不存在,宇宙可能已有 267 億年歷史

https://technews.tw/2024/03/18/dark-matter-accelerated-expansion-universe-redshift/

宇宙結構主要由正常物質、暗能量、暗物質組成,但渥太華大學最近一項研究提出令人信服的證據,表明宇宙可能不存在暗物質。

從未直接觀察到的暗物質是物理學界一直在追尋的海市蜃樓,它們不與光或電磁場相互作用而不可見,只能透過重力識別,但一直是解釋星系、恆星、行星行為的基本元素,沒有暗物質就無法解釋整個宇宙運作。

然而根據渥太華大學物理學教授 Rajendra Gupta 結合 CCC 理論(covarying coupling constants)與 TL(tired light)理論的新模型,研究人員稱「不穩定時空」便能解釋宇宙膨脹與銀河系旋轉,無需暗物質和暗能量存在。

這個模型結合了 2 個想法:自然力如何隨宇宙時間推移而減弱,以及光在長距離傳播時由於與其他物體或粒子碰撞,會隨時間推移損失能量。

在標準宇宙學中,遙遠星系、類星體的光譜往往會觀察到紅移(Redshift)現象,其紅移增加比例與距離成正比,原因是宇宙正加速膨脹使天體發出的光波被拉長,譜線因此「變紅」,而科學家相信暗能量的存在本身,就是宇宙膨脹、加速膨脹之謎的解答。

但團隊分析了近期有關紅移星系分佈中觀測到的重子聲學振盪(baryon acoustic oscillations,BAO)位置數據,其 CCC+TL 新模型表明,實際上只是因為耦合時力量不斷減弱,才導致宇宙膨脹速度加快,而不是暗能量造成。

該模型可以像當前 ΛCDM 模型一樣準確擬合 Ia 型超新星 Pantheon+ 數據,也可以符合韋伯太空望遠鏡觀測宇宙早期星系的角度大小。團隊還重申先前研究結論,即宇宙當今年齡不只 137 億年,而是 267 億年。

新研究雖然不夠完美,畢竟 TL 理論在科學界長期處於探討邊緣,但它確實凸顯一個明顯觀點,即宇宙標準模型有缺陷。

該論文發表在《天文物理期刊》(Astrophysical Journal。
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