他们说轴子是暗物质的候选者,但轴子到底是什么以及如何产生
当提到基本粒子的标准模型时,我们通常会想到宇宙中存在的基本粒子以及它们之间的相互作用。六种夸克和轻子构成了标准模型的费米子,而光子、W和Z玻色子、八个胶子和希格斯玻色子则是玻色子。
在粒子物理学中,存在三种类型的对称性,它们控制着每一种基本相互作用下费米子的相互作用:C(电荷共轭),用它的反粒子替换每个粒子;P(奇偶校验),它将每个粒子替换为其对应的镜像粒子;T(时间反转),将时间向前的相互作用替换为时间向后的相互作用。
由于其群结构,每个相互作用都具有数学属性:阿贝尔或非阿贝尔(交换或非交换)。电磁是阿贝尔的,强相互作用和弱相互作用是非阿贝尔的。如果是阿贝尔的,那么应该遵守所有这些对称性;如果是非阿贝尔,可以违背其中的任何一个或两个对称性,但不能同时违背三个。
在实验上,电磁相互作用实际上是在电荷共轭对称、奇偶对称和时间反转对称下的对称。而弱相互作用在它们中的任何一个下都不是对称的,它违反了电荷共轭对称、奇偶性对称、时间反转对称,以及CP、CT和PT的组合对称,只有CPT组合适用于弱相互作用。
强相互作用和弱相互作用一样是非阿贝尔的,但出于某种原因,我们在强相互作用中看不到任何违背对称性的存在。在标准模型中,并没有禁止强相互作用违反CP的情况。于是,有科学家认为,有什么东西在抑制这种CP违背,如果我们引入一个新的对称性,那么可以很好地做到这一点。
1977年,罗伯托·佩切伊和海伦·奎因发明了第一个满足这一要求的对称:佩切伊-奎因对称。他们提出了一个新的标量场的存在,并且该标量场应该抑制强相互作用中所有违反CP的项。当该对称性被打破时,就会产生一种质量非零的新粒子:轴子。 产生轴子的三种方法
产生轴子的方法之一是在热大爆炸的早期阶段。宇宙在这一时期达到了最大的能量、温度和密度,根据爱因斯坦质能方程,宇宙会从可用的能量中产生物质,这包括轻的轴子。由于它们的质量极低,即使在今天,它们仍会以非常快的速度移动,这意味着它们将作为一种热暗物质。当然,热大爆炸也有一个公式来说明应该产生多少这些粒子。公式告诉我们,这些"热轴子"最多可以构成暗物质的0.1%。
产生轴子的第二种方法更有趣一点。如果轴子作为一个理论粒子存在,那么它对电磁相互作用,特别是对光子,应该有一个非零耦合。这需要对麦克斯韦方程进行修正,以包括可能的光子-轴子相互作用,Pierre Sikivie早在1983年就发现了光子-轴子相互作用的结果。当合适的条件出现时,在电场和磁场的存在下,与正常物质的原子核相互作用,这些光子可以通过普里马科夫效应转化为轴子。
早在20世纪90年代末和21世纪初,光子-轴子振荡就被认为是解释超远超新星看起来比预期更暗的潜在解释。今天,人们正在寻找来自恒星的轴子相互作用的间接信号。虽然轴子可以以这种方式产生,但它们仍然是热暗物质,而且也不可能达到宇宙中暗物质总量的1%。
第三种方法真的很吸引人。佩切伊-奎因对称可以被建模为一个位于电位峰顶部的球,而电位峰周围的各个方向上都有一个深度相等的谷 。当佩切伊-奎因对称被打破时,球就会滚下山谷,在那里它可以自由无摩擦地旋转。当这种情况发生时,模型的电位稍微向一边倾斜,导致球围绕倾斜的最低点振荡。这一次,当球振荡时,会有一点摩擦,这种摩擦会从量子真空中产生轴子,导致轴子具有微小的非零质量和极大抑制的CP违反量。
我们不知道轴子的质量是多少,甚至不知道它的许多特性是什么,但质量越低,在这个跃迁过程中产生的轴子数量就越多。重要的是,这些轴子出生时运动非常缓慢,使它们成为冷而非热的暗物质。 如果轴子在静止质量能量的几微电子伏特范围内,轴子确实可以构成我们宇宙中100%的暗物质。
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