新研究重新打开“暗光子”搜索空间，可能重写过去15年理论

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编译：何沐萱

校译：牧夫天文校对组

后台：王启儒

https://www.universetoday.com/articles/new-study-expands-search-for-dark-photons-a-leading-dark-matter-candidate

自“暗物质”这一概念被提出以来已经过了五十多年，但无论是通过宇宙巡天还是理论研究，人类对暗物质的探索仍在继续。尽管暗物质至今仍未得到直接证实，但大量间接证据支持其存在，包括星系的旋转曲线、暗物质晕以及引力透镜现象。此外，科学家还提出了多种暗物质候选粒子，并利用观测数据对它们进行了检验。

这些候选者包括弱相互作用大质量粒子、原初黑洞、轴子以及暗光子。理论上来说，暗光子被认为曾参与加热早期宇宙，并充当宇宙中可见扇区与暗扇区之间的桥梁。然而，一篇新论文表明，暗光子实际上并不会像此前认为的那样加热早期宇宙。这一发现也许会改变暗物质的搜索方式，因为它意味着暗光子可能隐藏在比此前认为更广泛的范围内。

这项研究属于跨学科研究工作，由马里兰大学基础物理中心的Anson Hook教授领导开展。他的合作研究者包括加拿大安大略省滑铁卢大学周界理论物理研究所（PITP）的高级博士后研究员Junwu Huang，以及Horizon 天体物理学倡议（HAPI）的研究员Mohamad Shalaby。他们的研究成果已发表在了《物理评论快报》上。

目前已知最大的结构——连接各星系、横跨数十亿光年的气体与暗物质组成的宇宙网

图片来源：NASA

长期以来，物理学家一直预测暗光子会在充斥早期宇宙的高温中性氢云中转换为普通光子。如果这一预测成立，那么这种加热过程应该会留下可以被探测到的暗光子痕迹，且宇宙学模型已经排除了能量密度参数空间中的很大一部分。换句话说，这些此前被排除的范围反而可能成为寻找暗光子的关键所在。

Hook在PITP的一份新闻稿中表示：“这些排除结果意味着，暗物质的作用强度必须比它实际上可能达到的强度弱108倍。”他指出：“这篇论文为寻找暗物质打开了许多新的方向。”一般来说，研究人员此前假设这种转换过程是线性的，即能量会缓慢地转换到等离子体中。然而，这一过程所需要的能量规模将非常巨大，从而给宇宙学模型带来问题。这促成了Huang、Hook和专长于等离子体物理学的Shalaby之间的合作研究。

他们共同进行了多次模拟，证明传统的线性转换理论并不完整。相反，模拟结果表明，一旦暗光子的能量进入等离子体，整个系统就会迅速进入剧烈的非线性状态，使能量转换过程在产生显著加热之前就已经停止。

Huang在PITP的一份新闻稿中说道：“过去15年的处理方式都是线性的。如果采用这种近似方法，就可以计算出能量传递的数量，而这个数值非常大。但我意识到这不可能。我们发现，当能量被转换到标准模型等离子体中时，等离子体实际上会变得极其剧烈。系统中存在大量非线性效应，而这些非线性效应基本上会在只有极少量能量完成转换之后，就关闭进一步的能量转换。这是宇宙学中的一个测试案例。许多天体物理系统也被用于寻找类似的效应，而我们需要重新思考这些研究。而那些易于计算的线性近似，可能与中子星磁层或白矮星磁层的实际行为完全没有关系。”

暗光子暗物质充满早期宇宙的示意图

图片来源：Robert Lea

根据研究团队的分析，传统的暗光子宇宙学约束在大约十个数量级的范围内都是无效的，其对应的能量范围约为10-15eV到10-6eV，这一数值大致对应于无线电频谱中的千赫兹到吉赫兹频段。这是一个此前曾被排除、但如今可能需重新开放的重要参数空间，并可能为宇宙学研究开辟新的方向。Shalaby表示，这种方法还可以进一步推广，用于寻找其他难以探测的粒子。

他说：“如果能够正确计算早期宇宙中的等离子体，实验就能够探索新的参数空间，并有可能真正观测到某些东西。这是一项真正的跨学科研究，是等离子体物理学与粒子物理学之间的交汇。而这将直接影响进行实验研究的科学家。”

责任编辑：王启儒

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