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又是零!!!

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  在我们生活的宇宙中,遍布着行星、恒星、星系......这些物体都是由我们所熟悉的粒子 (比如电子和质子) 构成的。然而,大量的天文观测表明,宇宙中远不止只有这些物质,理论上,还应该存在着数量远超过这些普通物质的暗物质。但物理学家至今仍然不知道暗物质的本质究竟是什么。

  大多数人认为,暗物质或许是由未被发现的粒子组成的。其中一个热门的假想粒子被称为轴子。根据理论预测,轴子的质量比电子还要轻上很多,它们像幽灵般几乎不与普通物质发生任何相互作用。如果轴子确实存在,那么它们很可能会在一些极端环境中的产生。但迄今为止,还没有任何实验和观测发现轴子的踪迹,包括最新的一项研究。在搜寻暗物质的道路上,再一次给出了零结果

  目前,许多寻找轴子的实验,都是根据轴子作为一种被称为普里马科夫效应的产物而设计的。普里马科夫效应描述了轴子和光子之间的一种理论“耦合”过程。根据现有理论认为,在通常情况下,轴子不会与光子相互作用(这很符合暗物质的特性),然而普里马可夫效应预测,当光子受到强磁场的影响时(比如在恒星内核),就可能会变形为轴子。根据这种说法,许多恒星的核心就应该是天然的轴心工厂。

  这为搜索轴子的踪迹提供了思路。例如,当一颗恒星在超新星中爆炸时,恒星就会向宇宙喷射出轴子;接着,当这些看不见的轴子在地球和恒星之间遇到星系磁场时,就会短暂地转变光子,并可能产生可被探测到的X射线

  因此,一些科学家试图利用这个过程来寻找轴子,并将太阳等恒星列为研究对象。不过,太阳并非进行这项探测的优质对象。因为太阳有耀斑,且能一直发出X射线。在一项新的研究中,麻省理工学院的物理学家将目光投向了参宿四

  

  参宿四是离地球最近的一颗恒星之一。据天文学家预测,它很快会燃烧成为超新星。从这点来看,即将消亡的参宿四应该是一座天然的轴子工厂,它在燃烧时应该可以不断地产生轴子。另外,根据恒星天体物理学来看,现在的参宿四所处的温度水平和生命阶段,是不会发射出X射线的。因此如果轴子确实存在,并且被喷射出来与磁场相遇,那么就有可能产生能被探测到的X射线信号。如此一来,发现参宿四所释放出的X射线就将是成为轴子存在的一个确凿信号

  核分光望远镜阵(NuSTAR)是一个聚焦由天体产生的高能X射线的空间望远镜。在新发表的这项研究中,物理学家分析了由NuSTAR收集到的数据。在获取了大量数据后,研究人员进行了一系列模拟。他们根据参宿四与地球之间的磁场强度,在模拟中探究了轴子可能的质量范围,以及轴子与光子发生“耦合”并重新转换成光子的可能性范围。如此一来,如果参宿四真的喷射出了轴子,就能预测可能会看到的X射线信号将会是什么样子。

  然而,当他们在数据中寻找这些信号时,却并没有发现任何超出预期背景或任何不寻常的X射线信号

  

  “零结果”或许令人有些失望,但并不能说一无所获。根据这次研究所设置的条件范围,新的“零结果”带来了很多有价值的正面信息,比如它排除了能在很大能量范围内与光子发生相互作用的超轻轴子的存在的可能性,并且为轴子的性质设定了新的约束条件。

  简单来说,新的结果表明,如果轴子的质量超轻,那么轴子与光子耦合并发射出可探测X射线的可能性应该比现在认为的更低。这意味着,物理学家将要开始思考如何在其他的更不易被探测到的能量带中寻找轴子信号。

  尽管如此,研究人员表示,零结果并不意味着对参宿四轴子的搜索的结束。未来,当参宿四爆炸成超新星时,如果真的产生了轴子,那么我们将看到的会是伽马射线,而不是X射线,届时或许将能产生更多的新洞见。并且即使在一颗恒星爆炸时没能观测到轴子,那么也将在轴子与光子的耦合问题上设定更加严格的约束。

  #创作团队:

  编译:不二北斗

  #参考来源:

  https://news.mit.edu/2021/axions-betelgeuse-photons-0120

  https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.031101

  #图片来源

  MIT News

  ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/E. O’Gorman/P. Kervella

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