科学家提出搜寻暗物质的新方法

科学家提出搜寻暗物质的新方法 自暗物质被发现以来，科学家们一直未能探测到它，即使几十年来在世界各地部署了多个超灵敏粒子探测器实验也无济于事。现在，美国能源部（DOE）SLAC 国家加速器实验室的物理学家们提出了一种利用量子设备寻找暗物质的新方法。SLAC物理学家丽贝卡-利恩（Rebecca Leane）是这项新研究的作者之一，她认为大多数暗物质实验都在寻找银河系暗物质，这种暗物质会直接从太空发射到地球上，但另一种暗物质可能已经在地球周围徘徊了很多年。利恩说："暗物质进入地球后，会四处弹跳，最终被地球的引力场困住。随着时间的推移，这种热化暗物质的密度会比少数松散的星系粒子更高，这意味着它更有可能撞上探测器。不幸的是，热化暗物质的移动速度要比银河系暗物质慢得多，这意味着它传递的能量要比银河系暗物质少得多传统探测器可能无法看到。"有鉴于此，利恩和 SLAC 博士后研究员阿尼尔班-达斯找到了 SLAC 的科学家诺亚-库林斯基，他是一个新实验室的负责人，主要研究用量子传感器探测暗物质。库林斯基说，科学家通常认为这是因为冷却系统不完善或环境中存在热源。但他说，可能还有其他原因："如果我们实际上有一个完美的冷系统，而我们无法有效冷却它的原因是它不断受到暗物质的轰击呢？"达斯、库林斯基和利恩想知道，超导量子设备是否可以重新设计为热化暗物质探测器。根据他们的计算，激活量子传感器所需的最小能量足够低，约为千分之一电子伏特，因此它可以探测到低能量的银河系暗物质以及悬浮在地球周围的热化暗物质粒子。当然，这并不意味着暗物质是量子设备失灵的罪魁祸首只是说它是可能的，下一步就是要弄清楚他们能否以及如何将敏感的量子设备变成暗物质探测器。因此，有几件事需要考虑。首先，也许有更好的材料来制造这种装置。利恩说："我们一开始考虑的是铝，这只是因为铝可能是迄今为止用于探测器的特性最好的材料。但事实可能证明，对于我们正在研究的质量范围和我们想要使用的探测器类型，也许有更好的材料。"利恩说，还有一种可能性是，热化暗物质与量子设备的相互作用不会像银河系暗物质被怀疑与直接探测设备的相互作用那样。在这项研究中只是考虑了暗物质进入并直接弹开探测器的简单情况，但它还可以做很多其他事情。例如，其他粒子可能与暗物质相互作用，改变探测器中粒子的分布方式。"这就是在 SLAC 工作的好处之一。我们确实有相当多样化的小组在从事许多不同的科学研究，我觉得这个项目是 SLAC 研究的一个非常好的协同效应。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学简单点：什么是暗物质和暗能量？

科学简单点：什么是暗物质和暗能量？ 人类对天空的研究已有数千年的历史，而在上个世纪，科学家们才真正开始了解宇宙是如何在一种叫做"万有引力"的力量影响下运动和变化的。万有引力影响着万物，不仅包括物质（科学术语），还包括光。它把我们的身体拉向地球，也在恒星和星系之间的遥远距离上发挥作用。在这段"科学101"视频中，博士后研究员吉莉安-贝尔茨-莫尔曼（Gillian Beltz-Mohrmann）和弗洛里安-凯鲁佐雷（Florian Kéruzoré）将探讨科学界的两大谜团：暗物质和暗能量。这些奇怪的影响因素似乎正在以意想不到的方式将宇宙拉伸开来，并将物质聚集在一起。它们加在一起占宇宙的 95%，但由于我们看不见、摸不着，所以不知道它们是什么。全球各地的研究人员，包括美国能源部阿贡国家实验室的科学家，正在通过大型宇宙学调查、粒子物理实验以及先进的计算和模拟，研究暗物质和暗能量的本质。引力在星系的形成和移动过程中起着至关重要的作用。随着科学家对宇宙了解的加深，他们发现除非存在大量看不见的物质比我们尚未发现的物质还要多得多否则星系的许多行为都是不合理的。这种看不见的物质或者说暗物质会产生额外的引力。如果它不存在，有些星系就会飞散，有些星系根本就不会形成。这张图展示了一个真实的例子，说明暗物质如何使螺旋星系的外部区域比只受可见物质引力影响的星系旋转得更快。这种差异表明暗物质的存在，施加了额外的引力。资料来源：阿贡国家实验室我们称它为"暗"是因为我们看不见它。与可见物质（我们能看到的物质，包括恒星、行星、水等）不同，它不会释放或吸收光线，也不会与其他物质相互作用，除非通过引力。我们知道它应该在哪里，但当我们观察时却什么都没有。这就像看到池塘里的涟漪，却看不到是什么造成的。与此同时，另一些东西正在推动宇宙以越来越快的速度膨胀。据我们所知，宇宙从 138 亿年前开始就一直在膨胀。天体之间的空间不断增大，就好像空间本身被拉伸开来，就像气球充气时的表面一样。科学家本以为这种膨胀的速度会随着时间的推移而减慢，但他们却发现了相反的情况。大约 50 亿年前，宇宙膨胀的速度开始加快。我们不知道是什么导致了这种加速膨胀，但我们把它命名为暗能量。来自暗物质的引力可以弯曲从遥远星系发出的光线，导致它们的图像在到达我们的望远镜时出现扭曲。这种现象被称为引力透镜，它揭示了暗物质的存在，即使我们看不到它。资料来源：阿贡国家实验室据科学家所知，可见物质只占宇宙的 5%。暗物质和暗能量据信分别占另外的 27% 和 68%。换句话说，我们所熟知的可见物质根本无法解释宇宙绝大部分物质的性质。那么，科学家们是如何试图解开这个谜团的呢？什么是暗物质和暗能量？为了找出答案，我们需要数据，而且是大量的数据。为了收集这些数据，科学家们建造了巨型望远镜和照相机。其中包括外太空的哈勃太空望远镜和詹姆斯-韦伯太空望远镜；南极洲的南极望远镜；亚利桑那州的暗能量光谱仪；以及智利的暗能量勘测和即将建成的维拉-C-鲁宾天文台。宇宙主要由暗能量和暗物质组成。可见物质（我们能看到的一切，包括恒星和行星）只占宇宙的 5%左右。科学家们正在研究这未知的 95% 的性质。图片来源：阿贡国家实验室这些灵敏的仪器对天空进行勘测，以揭示星系在宇宙中的位置和移动情况。超级计算机帮助科学家对宇宙进行详细模拟，并分析来自望远镜的数据。除了在天空中寻找答案，科学家们还在建造敏感的探测器，以直接在地球上寻找暗物质。美国能源部阿贡国家实验室的研究人员通过参与这些大型宇宙学调查、粒子物理实验以及使用先进的计算和模拟，为暗物质和暗能量的研究做出了贡献。来自这些测量和模拟的信息帮助科学家绘制出暗物质存在的地图，并提供了有关暗能量性质的线索。随着我们的望远镜、超级计算机和其他仪器越来越先进，我们发现越来越多的证据表明，我们遗漏了一些重大的东西，科学家们正在努力了解它可能是什么。阿贡科学家们的工作正在让世界离揭开这些宇宙之谜越来越近。编译自:ScitechDaily相关文章:科学简单点：什么是超级计算？科学简单点：什么是人工智能？科学简单点：什么是量子力学？科学简单点：什么是水力发电？科学简单点：什么是核能？科学简单点：什么是气候复原力？科学简单点：什么是纳米科学？ ... PC版： 手机版：

天体物理学家在"El Gordo"星系团探测到潜在的碰撞暗物质

天体物理学家在"El Gordo"星系团探测到潜在的碰撞暗物质 这项研究利用数值模拟分析了"El Gordo"（西班牙文的字面意思是"胖子"）一个距离我们 70 亿光年的巨型星团合并体内部发生的情况。计算结果表明，在这个星团中，观测到的暗物质最大密度点与其他质量成分最大密度点之间的物理分离可以用所谓的SIDM（自相互作用暗物质）模型来解释，而不是标准模型。这项研究为支持 SIDM 模型做出了重要贡献，根据该模型，暗物质粒子通过碰撞交换能量，从而产生有趣的天体物理学影响。埃尔戈多星系团合成图。图片来源：X 射线：NASA/CXC/Rutgers/J.Hughes et al, Optical: ESO/VLT/Pontificia Universidad.智利天主教大学/L.Infante & SOAR (MSU/NOAO/UNC/CNPq-Brazil)/Rutgers/F.Menanteau, IR: NASA/JPL/Rutgers/F.Menanteau"根据目前公认的标准宇宙学模型，宇宙目前的重子物质密度仅占其总物质含量的 10%。剩下的 90% 是暗物质"，该研究的作者里卡多-瓦尔达尼尼解释说。"一般认为，这种物质是非重子的，由冷的无碰撞粒子组成，只对引力有反应。因此被称为"冷暗物质"（CDM）。"研究人员说："然而，仍有许多观测结果无法用标准模型来解释。"为了回答这些问题，几位作者提出了一个替代模型，称为 SIDM。证明暗物质的碰撞特性，更广泛地说，证明标准宇宙学模型的替代理论是非常复杂的："然而，在距离我们许多光年之外，有一些独特的实验室可以证明对这一目的非常有用。这些实验室就是大质量星系团，它们是巨大的宇宙结构，一旦发生碰撞，就会产生自宇宙大爆炸以来能量最大的事件。厄尔戈多星系团的质量约为1015个太阳质量，是我们已知的最大星系团之一。由于其特殊性，厄尔戈多一直是众多理论和观测研究的主题"。暗物质可能是碰撞产生的根据标准范式，在星团合并过程中，碰撞气体质量部分的行为将不同于其他两个部分星系和暗物质。在这种情况下，气体会耗散其部分初始能量。瓦尔达尼尼解释说："这就是为什么在碰撞之后，气体质量密度的峰值会落后于暗物质和星系质量密度的峰值。"然而，在 SIDM 模型中，应该观察到一种奇特的现象，即暗物质中心点它的最大密度点与其他质量成分的中心点在物理上分离，这种奇特现象代表了真正的"SIDM 模型特征"。根据观测，这正是"El Gordo"内部发生的情况。观察"El Gordo"瓦尔达尼尼解释说："让我们从观测开始。它由两个巨大的子星团组成，分别称为西北（NW）和东南（SE）。El Gordo"星团的 X 射线图像显示，在东南子星团中有一个单一的 X 射线发射峰值，在 X 射线峰值之外还有两条拉长的微弱尾巴。值得注意的是不同质量成分的峰值位置。与"子弹"星团（另一个碰撞星团的重要例子）不同的是，X 射线峰值出现在东南暗物质峰值之前。此外，最亮星团星系（BCG）不仅落后于X射线峰值，而且在空间上似乎也偏离了东南质量中心点。另一个值得注意的方面可以在西北星系团中看到，星系数量密度峰在空间上偏离了相应的质量峰"。研究结果表明，碰撞暗物质可以解释在"El Gordo"观测到的现象。为了解释他的发现并验证 SIDM 模型，瓦尔达尼尼在《天文学与天体物理学》上发表的研究报告中使用了大量所谓的 N 体/流体力学模拟。因此，他进行了一项系统的研究，旨在重现"El Gordo"的观测特征。瓦尔达尼尼指出："这项模拟研究最重要的结果是，如果暗物质是自相互作用的，那么在"El Gordo"星团不同质量中心点之间观测到的相对分离现象自然就能得到解释。正因为如此，这些发现提供了一个明确的暗物质行为特征，它在能量非常高的高红移星团碰撞中表现出碰撞特性。"然而，也有不一致的地方，因为这些模拟得到的 SIDM 截面值高于目前的上限，而目前的上限在星团尺度上为一阶。这表明，目前的 SIDM 模型应被视为一种低阶近似，而描述暗物质在主要星团合并中相互作用的基本物理过程要比通常假定的基于暗物质粒子散射的方法所能充分表达的更为复杂。"这项研究令人信服地证明了在碰撞星团之间存在自相互作用暗物质的可能性，以此替代标准的无碰撞暗物质范式"。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

暗物质动力学探索奇异的卫星星系“Crater II”

暗物质动力学探索奇异的卫星星系“Crater II” 加州大学河滨分校物理学和天文学教授于海波说："自2016年发现Crater II以来，人们曾多次尝试重现它的不寻常特性，但事实证明这非常具有挑战性。"他的团队在最近发表于《天体物理学期刊通讯》（TheAstrophysical Journal Letters）的一篇论文中对Crater II的起源做出了解释。卫星星系是一个较小的星系，它围绕着一个较大的主星系运行。暗物质占宇宙物质的85%，它可以在引力的作用下形成一个球形结构，称为暗物质晕。暗物质晕看不见摸不着，它渗透并包围着像Crater II这样的星系。Crater II极其寒冷，这表明它的光环密度很低。我们的银河系被大约 50 个矮星系包围着。这些星系中的大多数只能通过望远镜来识别，并以它们出现在天空中的星座来命名（例如天龙座、雕刻家座或狮子座）。不过，两个最明显的矮星系被称为大麦哲伦云（LMC）和小麦哲伦云（SMC），它们很容易被肉眼看到。资料来源：ESA/Gaia/DPACCrater II在银河系的潮汐场中演化，经历了与宿主星系的潮汐相互作用，类似于地球海洋因月球引力而经历潮汐力。理论上，潮汐相互作用可以降低暗物质晕的密度。然而，对Crater II环绕银河的轨道的最新测量结果表明，潮汐相互作用的强度太弱，不足以降低卫星星系的暗物质密度，从而与其测量结果保持一致如果暗物质是由冷的、无碰撞的粒子构成的，正如流行的冷暗物质理论（或称CDM）所预期的那样。另一个谜题是，当卫星星系在银河系的潮汐场中演化时，潮汐相互作用会缩小卫星星系的体积，因此Crater II怎么会有这么大的体积呢？于和他的团队引用了一种不同的理论来解释Crater II的特性和起源。该理论被称为"自相互作用暗物质"（self-interacting dark matter，简称SIDM），它可以令人信服地解释各种暗物质的分布。该理论认为，暗物质粒子通过暗力进行自我相互作用，在靠近星系中心的地方相互发生强烈碰撞。于说："我们的工作表明，SIDM可以解释Crater II的不寻常特性。关键的机制是暗物质的自我相互作用使Crater II的光环热化，并产生一个浅密度核心，也就是说，暗物质密度在小半径处是扁平的。相反，在CDM光环中，密度会向星系中心急剧增加。"在 SIDM 中，与Crater II轨道测量结果一致的相对较小的潮汐相互作用强度就足以降低Crater II的暗物质密度，这与观测结果是一致的。"重要的是，星系的大小在SIDM光环中也会扩大，这就解释了Crater II的巨大体积。暗物质粒子在有芯的SIDM光环中比在'脆弱'的CDM光环中结合得更松散。我们的工作表明，SIDM比CDM更能解释Crater II的起源。"编译自/ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家在实验室制造出至今最冷物质

科学家在实验室制造出至今最冷物质 根据发表在《Nature Physics》期刊上的一项研究，日美科学家在实验室内制造出至今。 在最新研究中，科学家使用激光，限制了 30 万个原子在光学晶格内的运动。该实验模拟了理论物理学家约翰·哈伯德于1963年首次提出的量子物理模型哈伯德模型。该模型允许原子展示不寻常的量子特性，包括电子之间的集体行为，如超导（导电而不损失能量）等。研究人员称，他们造出的冷却物质甚至比太空中已知最冷的区域旋镖星云还要冷，旋镖星云距离地球 3000光年，是围绕在半人马座中一颗垂死恒星周围的一团气体云。科学家们认为，旋镖星云正被星云中心垂死恒星喷出的冷膨胀气体冷却，因此此处的温度比宇宙其他部分还要冷，约为 1 开尔文或零下272摄氏度，仅比绝对零度（零下273.15摄氏度）高1摄氏度。但在最新实验中，镱原子的温度比旋镖星云的温度还要低。 来自：雷锋 频道：@kejiqu 群组：@kejiquchat 投稿：@kejiqubot

中国建成世界最大最深的暗物质实验室

中国建成世界最大最深的暗物质实验室 中国锦屏地下实验室（CJPL）自2010年投运，经过三年修建，中国锦屏地下实验室二期（CJPL-II）于2023年12月投入科学运行。其33万立方米的超大空间超过了之前深度和体积的纪录保持者意大利的格兰萨索国家实验室（LNGS）。更大的空间让粒子和天体物理氙探测实验（PandaX）和中国暗物质实验（CDEX）这类项目可以再次升级。芝加哥大学的物理学家Juan Collar说：“他们在十年内完成的工作令人赞叹。”暗物质一直是科学界的一个谜。物理学家经过计算发现，可见物质产生的引力太弱，无法阻止快速移动的星系飞散。因此，他们提出理论，认为暗物质就像不可见的胶水，把整个宇宙黏在一起。虽然暗物质理应无处不在，但事实证明直接观测到暗物质很难，因为理论上暗物质与普通物质不会相互作用，也不会释放、反射或吸收光。之前有人提出探测到了暗物质，但反驳观点认为，这些实验可能受到了其他信号的混淆。科学荣誉等候着第一个探测到暗物质的人，这也是粒子物理学的最大任务之一，在CDEX合作组工作的台湾中央研究院的物理学家Henry Tsz-King Wong说道。山下之光寻找暗物质的最佳场所是地下，因为岩体能替探测器挡掉背景“噪音”，比如从太空向地球洒落的高能粒子宇宙射线就会淹没潜在的暗物质信号，意大利国家核物理研究院的物理学家Marco Selvi说，想从地球表面探测暗物质就像在一个人声鼎沸的体育场里辨认一个小孩发出的微弱声音。在深地环境下，CJPL-II 的宇宙线通量仅为地表的0.000001%，使其成为世界上屏蔽效果最好的地下实验室之一。实验室的墙体还包裹了由橡胶、混凝土等材料混合而成的10厘米厚的保护结构，能防止周围岩体释放的水和放射性氡气，以免暗物质探测实验受到干扰。实验室的研究团队已经在利用新增的空间了。在CJPL-II施工期间，PandaX团队将其探测器从120公斤液氙升级到4吨。当潜在的暗物质颗粒与氙原子发生碰撞，其能量就会转变成能被光电传感器探测到的闪光。该探测器很快将赶上LNGS的XENONnT实验（8.6吨）以及美国桑福德地下研究所的LUX-ZEPLIN实验（7吨）。PandaX-4T探测器位于一个900立方米的水池中，这是为了能进一步屏蔽杂散粒子的干扰，团队成员、上海交通大学物理学家周宁表示，“灵敏度提升后，我们就能用探测器测试不同类型的相互作用。”该团队最终想要打造一个40-50吨的氙探测器，有望与以40吨为目标的达尔文实验（DARWIN Experiment）相抗衡。与此同时，CDEX团队也在部署一台锗探测器，锗探测器能寻找比氙实验寻找的质量更小的潜在暗物质粒子，CDEX团队成员、北京清华大学物理学家岳骞说。CDEX探测器已经从1公斤锗升级到10公斤锗，并计划打造一个1吨量级的探测器阵列。如果一个暗物质粒子撞到了这个探测器，其相互作用就应产生电荷，这个电荷会转换为电信号。岳骞希望CDEX能吸引更多国际合作，目前已经有印度和土耳其的研究人员加入。Selvi说，虽然各国对暗物质的搜寻非常激烈，但世界上多个地下实验室共同开展相似实验能让研究人员比对结果。2022年，PandaX团队便使用一种类似手段确认了LNGS的XENON 实验的结果该实验发现2020年XENON探测到的一个意外信号来自背景噪音而不是暗物质。Collar认为，新的方法和理论也将推动暗物质的研究，而不是用更大更灵敏的探测器打败对手。他说，“已经有很多重复的版本了。”周宁说，下一个十年里，CJPL-II团队将继续提升探测器的灵敏度。他也希望全球暗物质研究社区能共享数据并将CJPL-II的数据与他们自己的数据结合。他说：“我们还有很多工作要做。” ... PC版： 手机版：