星系團中幽靈般的暗物質“環”

自上世紀80年代以來，研究人員一直希望藉助實驗尋找構成暗物質的粒子。據美國加州理工學院官網6月16日消息稱，在理論物理學教授Kathryn Zurek的帶領下，研究人員開始謀求新的思路。相關研究結果刊發在《物理評論快報》雜誌中。

簡單說來，他們一直在研究暗物質由“隱藏區”的粒子所組成的可能性。這些粒子比之前假設的粒子要輕，理論上可經位於地下的小型桌面實驗設備發現。相比之下，科學家們目前正在採用大型實驗來尋找質量更重、被稱爲“弱相互作用大質量粒子”（WIMP）的暗物質候選者。

Zurek教授在十多年前首次提出了隱藏區粒子概念，他介紹道：“暗物質總是會穿過我們。當我們繞着星系中心移動時，暗物質形成的穩定風通常會被忽視，但我們仍然可以根據暗物質的來源，設計出新的方法來搜尋暗物質風和探測器之間罕見的相互作用。”

在這篇論文中，物理學家們概述瞭如何通過一種被稱爲磁振子（magnon）的準粒子來探測較輕的暗物質粒子的方法。準粒子是一種突現現象：當固體表現得好像含有弱相互作用的粒子時，就會出現準粒子。磁振子就是一種具有電子自旋現象的準粒子，它的作用類似於小磁體，具有集體激發效應。

在研究人員關於桌面實驗的構想中，一種磁性晶體材料將被用於尋找由暗物質產生的、處於激發態的磁振子的跡象。

論文作者之一、加州理工學院的博士後研究員Zhengkang (Kevin) Zhang解釋道：“如果暗物質粒子比質子輕，那麼用傳統方法探測它們的信號就會變得非常困難。但是，據許多被充分激發的數據模型顯示，特別是那些涉及隱藏區的模型，暗物質粒子可以與電子的自旋效應產生偶聯。因此，一旦它們擊中實驗材料，就將誘導出自旋激發態，或磁振子。如果我們通過冷卻設備，以及將其移至地下來降低背景噪音，就有望探測到僅由暗物質產生的磁振子。”儘管這類實驗到目前爲止還只停留在理論上，但最終可能會利用埋在地下的小型設備來完成。這樣的話，來自其他粒子（比如宇宙射線中的粒子）產生的外部影響就可以降到最小。

在目前桌面實驗所發現的暗物質跡象之一是，信號會隨着時間的變化而變化。這是由於用於檢測暗物質的磁晶體或具有各向異性，這意味着原子被自然地以特定的方式排布着，以便於當暗物質從特定方向而來時，讓它們傾向於與暗物質發生更強烈的交互作用。

科界原創 編譯：朱明逸 審稿：西莫 責編：雷鑫宇

期刊來源：《物理評論快報》

期刊編號：0031-9007

原文鏈接： https://www.caltech.edu/about/news/thinking-small-new-ideas-search-dark-matter

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