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物理学家声明DAMA发现支持暗物质存在的新计算方式

研究工作仍在继续,探究新发现的物质间的相互作用能否解释DAMA新发现的信号调制。

DAMA团队发表的声明颇具争议,但据欧美国家的物理学家称,他们在意大利地下实验室所探测到的暗物质或许确实存在。新研究表明这次探测发现很显然与其他无效实验结果以及间接的天体物理学证据相吻合。研究结论显示暗物质并不是通过四大基本力与普通物质相互作用的,而是以轴粒子为媒介通过第五种力进行作用的。

看不见的暗物质,却引发了一场实验之争,谁是最后的赢家?

迄今为止,暗物质还是未知的存在,虽然它并不释放电磁辐射,但众多观测发现表明暗物质至少占宇宙总物质的80%。DAMA,由来自意大利与中国的物理学家通力合作,称在位于罗马东部的大萨索山地下实验室中,直接检测到了碘化钠探测器中的暗物质。这份声明的根据是,当暗物质与原子核发生碰撞时,会产生微小的光影的周期性变化。这种变化在7月份到达峰值并在12月份降至最小值,研究团队认为这样的变化正应证了他们所期待的结论,地球通过暗物质组成的“光环”围绕银河系旋转。

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是新发现还是受背景效应影响?

经过多年的努力,DAMA收集了1.33吨的数据,数量之大足以让DAMA确信这一结果并非统计失误。如今研究团队公布了置信度达9.3σ的数据,足足比粒子物理学要求的数据高了5σ。假设DAMA的声明成立,问题在于虽然不少同行竞争研究团队使用的探测器不同,但仪器敏感度已达到要求,所以他们认为自己应当有探测暗物质的权利,然而事实却截然相反。DAMA已经探测到了周年信号调制,但不少物理学家仍对此有些许疑惑,并与研究团队所阐述的结果产生争论。一些人认为这一信号调制可能只是认为确定的背景现象。

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来自洛杉矶的加州大学的Eugenio Del Nobile则指出,这样的结果排除在外是根据探测器内发生多种相互作用的相关理论假设。Del Nobile和他的两位同事,一位是来自阿姆斯特丹大学的Chiara Arina,另一位是巴黎天体物理研究所的Paolo Panci,在最近的研究工作中发现了力量中介粒子是如何调和多种实验结果的。

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与标准模型中自旋为1的携带力量的粒子不同,力量中介粒子自旋为0,就像著名的希格斯玻色子,也被称做“标量”粒子。但与希格斯玻色子不同的是,当力量中介粒子的空间坐标倒置,新粒子的量子状态改变,因此它获得了称号“伪标量”,这与假定轴子,暗物质的又一有力争夺者也很相似。

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相互作用下产生的新自旋方式

探测粒子核与探测器内暗物质的每一次碰撞,由于这种具有不对称性的自旋粒子变得敏感。质子与中子自旋相反,两两结合,形成能量最小化的原子核,由此而产生了相互作用,最多会形成单个质子或中子。物理学家们认为发生在探测器内的相互作用就是以这种“自旋独立”的方式进行的。由于所有质子和中都会参与这一相互作用,所以作用效果较为明显,这也是为什么不少物理学家使用像氙这样的重粒子作为探测靶向。

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Del Nobile和他的同事计算了伪标量中介粒子带来的影响,他们认为在所有夸克种类中表现均化,夸克是质子与中子的基本组成。他们解释说暗物质与质子产生的作用要比与中子产生的作用强很多。正如他们所指出,DAMA更适合做暗物质探测,因为其探测器的钠原子核与碘原子核中含有奇中子,其他的探测器则是使用含有奇中子的氙原子或锗原子,这要比DAMA所使用的探测器敏感度更低一些,所以DAMA得到了较为强烈的周年信号。

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研究团队表示伪标量作用能够从湮灭暗物质的角度解释银河中心的超强伽玛射线。Del Nobile 和他的团队的分析结果差一点就与DAMA的暗物质探测结果相近,他们注意到在研究中银河暗物质光环的所有物质存在简化现象.Del Nobile表示目前所有竞争实验团队的职责所在就是“明确假设”,将DAMA的研究结果排除在外,另外伪标量模型或许可以检测出粒子对撞机中产生的K或B介子。

不必要的复杂化

芝加哥大学的Juan Collar认为Del Nobile和他的研究团队或许做了很多不必要的工作。那么DAMA的研究成果有没有揭开暗物质的神秘面纱呢?Collar通过观察美国CoGeNT暗物质探测器的统计出的有限的周年调制数据,提出对DAMA暂时的支持,他说如果暗物质是与电子撞击而不是原子核,那么实验结果之间出现的明显的矛盾或许会得到解决,他还说到:“看到这些作者将自己限制在原子核反冲作用的框架下还能找到一席之地掀起波动,我觉得这很有意思。”

该项研究发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)

原文链接:http://www.toutiao.com/a6913719715563143691

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