暗物质不给力?宇宙线来帮忙!

作者: 袁强

来源: 中国科学院紫金山天文台

发布日期: 2021-04-16 17:00:00

文章讨论了暗物质的探测问题,提出了利用宇宙线加速暗物质以提高探测效率的方法,并介绍了相关的实验进展和理论研究。

标准宇宙学模型告诉我们,宇宙由约70%的暗能量、25%的暗物质和5%的普通物质构成。暗物质的物理本质被公认为是物理学领域的重大科学问题之一。暗物质的实验探测正在如火如荼地开展,主要的探测手段可以分为三类,分别是直接探测、间接探测(如我国的“悟空”号卫星)和对撞机探测。包括我国锦屏深地实验室的两个直接探测实验在内,国内外有数十个暗物质探测实验正在进行,这些实验不断地提高着暗物质探测的灵敏度。

然而,理论上的暗物质候选粒子种类繁多,暗物质粒子的质量很不确定,跨度非常大,而这些实验往往只能覆盖非常有限的质量范围。探测器有其探测阈值,如果暗物质产生的信号不能高于其测量阈值,就会被淹没在背景噪声里。根据小球碰撞理论,很容易知道,如果暗物质粒子和探测器原子核质量接近,它们碰撞时的能量传递将最有效。因此暗物质直接探测实验通常是对几十倍至一百倍质子质量的暗物质粒子最为敏感。

拓展现有实验以覆盖到更宽的能段对于成功探测到暗物质粒子非常重要。在银河系中,暗物质粒子的平均速度大约为光速的千分之一。对于轻质量的暗物质粒子(比如质量小于质子质量),它们自身动能很小,跟原子核碰撞之后能够留下的能量也会很小(例如小于千电子伏特),很难达到探测器的测量阈值。2019年,有学者指出,如果暗物质和探测器原子核之间存在相互作用,那么它们也必定会和宇宙空间中广泛存在的高能宇宙线碰撞。

这两个物理过程本质上是一样的,差别在于和探测器的碰撞是暗物质粒子将能量传递给探测器原子核,而和宇宙线的碰撞则反过来——暗物质将获得加速。这正是我们想要的!通过宇宙线加速后的暗物质具有很高的能量,这样轻暗物质也可以被轻易地探测到。虽然被宇宙线加速的暗物质只占暗物质总量的很小一部分,但通过这个方法我们还是可以探索很大一块空白参数区域。

由上海交通大学和紫金山天文台的学者组成的一个研究小组发现,这个模型确实存在非常有趣的新特征:由于暗物质和宇宙线在银河系中的分布都是不均匀的,而且越往银河系中心二者的密度都越来越大,这将导致被加速后的“高速”暗物质将大量地来自银河系中心的方向,形成明显的各向异性分布。可是现有暗物质直接探测实验均无法探测入射粒子的方向,也就无法直接测量这个各向异性分布。

不过,通过进一步分析该问题,他们注意到由于地球存在自转,银河系的中心会周而复始地出现在地球的正面和背面,如果暗物质和物质的相互作用足够强,地球将成为暗物质粒子的屏蔽体。那么当银心和探测器位于地球的同一侧时,暗物质导致的信号强度将达到最高,反之则信号强度最低,从而使我们可以观测到一个时间上的周日调制效应,调制周期是一个恒星日。这就好比在阴雨天的时候,我们可以通过白天和黑夜的更替来感知太阳的存在。

借助这种周日调制效应,我们可以有效地区分暗物质信号和背景事例,从而可以更有助于识别出暗物质信号,提高暗物质探测灵敏度。当然也应注意到,随着暗物质和原子核相互作用强度变低,调制效应也会减弱。这是因为当相互作用截面很小的时候,地球变得对暗物质几乎透明,调制效应也就不复存在,此时我们仍然需要方向灵敏的探测器。目前国际上有好几个数吨级的暗物质直接探测实验正在建设,并即将开始观测取数。

在这些实验中开展诸如此类周日调制效应的分析将为轻质量暗物质探测带来新的曙光。

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