HYPER（HighlY Interactive ParticlE Relics） - 暗物质的新模型每日快看

来源：cnBeta 　2023-01-25 07:26:05

暗物质仍然是现代物理学的最大谜团之一。很明显，它必须存在，因为没有暗物质，比如说，星系的运动就无法解释。但是从来没有人能够在实验中探测到暗物质。目前，有许多关于新实验的建议。他们旨在通过暗物质与探测介质的原子核成分，即质子和中子的散射，直接探测暗物质。

(相关资料图)

一个研究小组--密歇根大学的Robert McGehee和Aaron Pierce以及德国美因茨约翰内斯古腾堡大学的Gilly Elor--现在提出了一个新的暗物质候选模型：HYPER，即"HighlY Interactive ParticlE Relics"。

在HYPER模型中，在早期宇宙中暗物质形成后的某个时候，它与正常物质的相互作用强度突然增加--这一方面使它有可能在今天被探测到，同时也可以解释暗物质的丰度。

这张美国宇航局哈勃太空望远镜的图像显示了暗物质在巨大星系团Abell 1689中心的分布情况，该星系团包含大约1000个星系和数万亿颗恒星。

暗物质是一种不可见的物质形式，占了宇宙质量的大部分。强如哈勃望远镜也无法直接看到暗物质，天文学家通过分析引力透镜的影响来推断它的位置，即来自阿贝尔1689背后的星系的光线被星系团内的干扰物质所扭曲。

研究人员利用42个背景星系的135个透镜图像的观测位置，计算出该星团中暗物质的位置和数量。他们将这些推断出的暗物质浓度的地图叠加在由哈勃高级观测相机拍摄的星团图像上，并将其染成蓝色。如果该星团的引力只来自可见星系，那么透镜扭曲就会弱得多。该地图显示，暗物质最密集的地方是在星团的核心。

资料来源：NASA，ESA，D. Coe（NASA喷气推进实验室/加州理工学院和太空望远镜科学研究所），N. Benitez（西班牙安达卢西亚天体物理研究所），T. Broadhurst（西班牙巴斯克地区大学），和H. Ford（约翰霍普金斯大学）

由于寻找重的暗物质粒子即所谓的WIMPS尚未获得成功，研究界正在寻找替代的暗物质粒子，特别是较轻的粒子。同时，研究人员说，人们普遍期待着暗物质的相变--毕竟，在可见范围有几个相变，但是以前的研究倾向于忽略它们。

"对于一些计划中的实验所希望进入的质量范围，还没有一个一致的暗物质模型。然而，我们的HYPER模型说明，相变实际上可以帮助使暗物质更容易被探测到，"JGU的理论物理学博士后研究员Elor说。

一个合适的模型所面临的挑战是，如果暗物质与正常物质的相互作用太强，那么它在早期宇宙中形成的（精确已知的）数量就会太少，与天体物理学观察结果相矛盾。然而，如果它的产生量恰到好处，那么反过来说，这种相互作用就会太弱，无法在现今的实验中探测到暗物质。

McGehee说："我们的中心思想，也就是HYPER模型的基础，是相互作用突然改变一次--所以我们可以拥有两个世界中最好的东西：适量的暗物质和一个大的相互作用，这样我们就可以探测到它。"

而这正是研究人员所设想的。在粒子物理学中，一种相互作用通常是由一个特定的粒子，即所谓的中介物来调解的--暗物质与正常物质的相互作用也是如此。暗物质的形成和它的探测都是通过这种中介物进行的，相互作用的强度取决于其质量。质量越大，相互作用就越弱。

调解物首先必须足够重，以便形成正确数量的暗物质，然后足够轻，以便暗物质可以被探测到。解决方案。在暗物质形成后有一个相变，在此期间，媒介物的质量突然减少。

"因此，一方面，暗物质的数量保持不变，另一方面，相互作用被提升或加强，以至于暗物质应该可以被直接探测到，"Pierce说。

新模型HYPER几乎涵盖了计划中的实验的全部参数范围。具体来说，研究小组首先考虑了介体介导的与原子核质子和中子的相互作用的最大截面与星象观测和某些粒子物理学衰变相一致。下一步是考虑是否有一个表现出这种相互作用的暗物质模型。

"在这里我们提出了相变的想法，"McGehee说。"然后我们计算了宇宙中存在的暗物质的数量，然后用我们的计算结果模拟了相变。"

"由于有大量的制约因素需要考虑，例如暗物质的数量不变，在这里，我们必须系统地考虑并包括非常多的情况，例如，提出这样的问题：是否真的可以确定我们的调解人不会突然导致新的暗物质的形成，当然这一定不是，"Elor说。"但最后，我们确信我们的HYPER模型是有效的。"

该研究发表在《物理评论快报》杂志上。

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