科学家提出检测暗物质新法
2019-07-22 中国科学报
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图片来源：KOVACEVICMIRO
暗物质作为一种构成宇宙大部分质量的神秘物质，想要探测它是极其困难的。然而科学家如今提出了一种令人惊讶的新传感器——人肉。
这个想法可以归结为：如果真的存在某种类型的暗物质粒子，那么它们偶尔会像子弹一样穿过人体并将其杀死。根据一项新的研究，因为没有人死于这种不明原因的“枪伤”，所以此类暗物质是不存在的。
美国密歇根大学安娜堡分校理论物理学家Katherine Freese说，尽管如此，还有其他方法可以探测到这种特殊类型的暗物质，研究人员应该继续寻找。“我们不知道这种暗物质是什么，所以我们不应该将其一笔勾销。”她说 。Freese并未参与该项研究，但她曾研究暗物质对人类的影响。
暗物质约占宇宙总质量的85%，但这种物质本身仍然是个谜。一种理论认为它由弱相互作用的大质量粒子（WIMP）组成。这些粒子大量存在，但由于它们不会与普通物质发生作用，因此只有非常敏感的探测器才能捕捉到它们。到目前为止，WIMP已经躲过了装有液态氙和氩的大容器的检测——这些储存在地下实验室的储罐能够在不受宇宙射线等来源干扰的情况下探测到WIMP的信号。
一种不太主流的暗物质候选者，也就是人们所说的宏，它会形成更重的粒子。虽然宏粒子比WIMP还要稀少，然而其与普通物质的任何碰撞都是剧烈的，将留下明显的痕迹。这项新研究探索了如果宏粒子击中人类，这些痕迹将会是什么样子。
Glenn Starkman和Jagjit Singh Sidhu是俄亥俄州克利夫兰凯斯西储大学的理论物理学家。他们最初是在花岗岩中寻找宏粒子的痕迹，这时有位同事提出了一个建议。“为什么你们不能把人类当作一台探测器呢？”他们回忆 起纳什维尔范德比尔特大学理论物理学家、论文作者之一Robert Scherrer说过的话。“你们正在谈论的能量，这些东西最好可能会使一个人致残，最坏可能会杀死一个人。”
该团队继续推进这个想法，并对宏粒子进行建模，结果显示其效果类似于0.22口径步枪的一次致命射击。这些粒子非常小，但却极重，因此当它穿过人体时会释放出和一颗子弹差不多的能量。研究人员的计算集中在过去10年生活在加拿大、美国和西欧的数百万人身上，因为研究人员认为，这些国家有更可靠的数据用于统计死亡人数和死因。
在这些样本中，科学家曾预计会发现一些来自看不见的暗物质“子弹”的不明原因死亡的报告。但是，研究人员上周在预印服务器arXiv上报告说：没有。这些死亡是不会被忽视的——它们会让受害者死亡或死于管状伤口，在那里，他们的组织会被汽化。
Scherrer说，这个实验并没有完全排除宏粒子暗物质，它只是消除了其中的一部分。Freese指出，足够测量的更重的宏粒子不会频繁出现，而其他形式的暗物质则不会杀死人类。
并未参与该项研究的意大利地下格兰萨索国家实验室粒子物理学家Paolo Gorla表示：“很可能仍有空间容纳非常重的暗物质。”
凯斯西储大学的研究小组并不是试图利用新方法探测暗物质的唯一团队。Freese已经开发了一种史前探测器实验，其灵敏度足以探测到WIMP在古代矿物中留下的踪迹。然而，岩石也可能以更明显的方式显示出更重暗物质的信号。如果宏粒子与岩石相撞，它们会直接击穿后者，进而熔化出一个圆柱形的空洞，这个空洞很快就会重新凝固成新的形式。例如，当浅色花岗岩熔化时，熔化的岩石会变硬，形成黑曜石样的通道。
目前，凯斯西储大学的研究人员还不会扩大他们对人类死亡的计算。今年秋天，他们将在纪念碑、工作台面和墓地中寻找黑色的椭圆形斑块，这些斑块可能是宏粒子撞击花岗岩的结果。接下来，他们希望为一系列宏粒子确定特征，然后训练人们在世界各地寻找花岗岩表面的撞击痕迹。研究人员说，这将为利用人类作为暗物质探测器开辟一条全新的道路。
暗物质是理论上提出的可能存在于宇宙中的一种不可见的物质，它可能是宇宙物质的主要组成部分，但又不属于构成可见天体的任何一种目前已知的物质。大量天文学观测中发现的疑似违反牛顿万有引力的现象可以在假设暗物质存在的前提下得到很好的解释。现代天文学通过天体的运动、牛顿万有引力的现象、引力透镜效应、宇宙的大尺度结构的形成、微波背景辐射等观测结果表明暗物质可能大量存在于星系、星团及宇宙中，其质量远大于宇宙中全部可见天体的质量总和。
作者：赵熙熙
来源：中国科学报 2019年7月22日
http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2019/7/347948.shtm
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