科学家们在寻找暗物质时发现一个潜在的物理学之谜

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据外媒报道,意大利国家核物理研究所(INFN)格兰萨索国家实验室(LNGS)的研究人员使用XENON1T探测器来寻找暗物质。这些寻找暗物质的科学家们无意间记录的“意外事件”可能令他们重新思考现代物理学。XENON1T探测器团队的研究人员还不完全确定自己发现了什么--他们也没有宣称是暗物质--但可能是同样令人兴奋的东西。

科学家们在寻找暗物质时发现一个潜在的物理学之谜-第1张图片-IT新视野

XENON1T是为了观察微小粒子的存在而设计的,里面充满了3.2吨液态氙气,它作为太阳轴子、利用太阳中微子增强中微子磁矩和玻色暗物质的巨大目标。当其中一个粒子穿过目标时,它可以触发光和氙原子的自由电子。

虽然XENON1T开始被用于寻找从弱相互作用重粒子(WIMPs)中寻找暗物质,但它对其他新粒子和相互作用也很敏感。科学家们估计了背景事件的数量,但在将其与仪器的实际数据进行比较后,发现比预期的232个事件多了53个。

这些额外的东西究竟从何而来,是目前正在预印的一篇新论文的主题。“过剩的Rhe特征类似于微小残留量的氚(一种具有一个质子和两个中子的氢原子)可能导致的结果,”研究人员提出,“但也可能是更令人兴奋的东西的标志--例如一种被称为太阳轴子的新粒子的存在,或者表明中微子以前未知的特性。”

研究人员面临的部分挑战在于,最终证实或否定可能理论的方法并不总是已知的。比如说,如果是微量的氚,只需要几个原子就可以解释奇怪的结果。然而,没有独立的测量方法可以证实或反驳它在如此小的水平上的存在。另外,过剩的事件也可能是来自新的粒子。有人指出,所观测到的能量谱其实与太阳中产生的轴子相似。

“轴子是一种假想的粒子,被提出来保存核力的时间反转对称性,而太阳可能是它们的强大来源,”XENON研究人员解释说。“虽然这些太阳轴子不是暗物质候选者,但它们的探测将标志着对一类动机良好但从未被观测到的新粒子的首次观测,对我们对基础物理学的理解,以及对天体物理现象都有很大影响。"

科学家们在寻找暗物质时发现一个潜在的物理学之谜-第2张图片-IT新视野

虽然不是暗物质本身,但这种轴子可能是一种前兆。一种理论是,来自早期宇宙的轴子实际上可能是暗物质的来源,研究人员认为暗物质占物质的大部分比例。不敢研究人员认为中微子也可能是“罪魁祸首”。如果是这样的话,不过,有可能中微子的磁矩其实比目前基本粒子标准模型认为的要大。“这将是一个强烈的暗示,需要一些其他新的物理学来解释它,”该团队说。

虽然XENON的研究人员倾向于太阳轴子理论,但现在还无法确凿地说哪种理论是正确的。不过,这一谜团可能会在下一阶段的研究中得到解决,XENON1T将升级为XENONnT:活性氙质量是其前身的三倍。“有了来自XENONnT的更好的数据,”研究人员提出,“XENON合作有信心很快就会发现,这种过剩的数据究竟是单纯的统计学上的侥幸,还是背景污染物,或者是更令人兴奋的东西:一种超越已知物理学的新粒子或相互作用。

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