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大质量弱相互作用粒子

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大质量弱相互作用粒子英语:Weakly interacting massive particles,简称WIMP),是一种仍然停留在理论阶段的粒子,是暗物质最有希望的候选者,然而最新的科学研究指暗物质的质量应比WIMP小。理论预言这种粒子应该有以下两个特点:

  1. 粒子只通过弱核力和引力产生相互作用,或者粒子的相互作用截面小于弱核力作用截面;
  2. 与普通粒子相比质量较大。

由于它们不参与电磁力作用,因此无法被直接探测到;由于它们不参与强核力作用,因此它们基本上与普通物质不发生相互作用;由于它们较大的质量,因此它们运动的速度相对缓慢,因而能够成团聚集。根据以上特点,WIMP被认为是最有可能的“冷暗物质”候选者。

现在很多实验正在寻找在理论上的“大质量弱相互作用粒子”(WIMPS)的粒子,它最有可能是暗物质。各个实验在地下的那些订做的设备全都等着一颗“大质量弱相互作用粒子”撞击原子核并引起一次反弹的时刻的到来。这样的实验必须在地下进行,以防止宇宙射线干扰结果。

暗物质的探测实验

暗物质的探测在当代粒子物理天体物理领域是一个很热门的研究领域。对于大质量弱相互作用粒子来说,物理学家可能通过放置在地下实验室,背景杂讯减少到极低的探测器直接探测大质量弱相互作用粒子,也可以通过地面或太空望远镜对这种粒子在星系中心,太阳中心或者地球中心湮灭产生的其他粒子来间接探测。人们也希望欧洲大型强子对撞机或者未来的国际直线加速器中人工创造出这些新粒子来。

对于暗物质的直接探测实验一般都这设置于地底深处,以排除宇宙射线的背景杂讯。这类的实验室包括美国的Soudan mine和DUSE、加拿大的SNOLAB地下实验室、义大利大萨索国家实验室(Gran Sasso National Laboratory)以及英国的Boulby mine。

目前大部分的实验使用低温探测器或惰性液体探测器。低温探测器是在低于100mK的环境下探射粒子撞击这类的晶体接收器所产生的热。惰性液体探测器则是探测液态或液态中粒子碰撞产生的闪烁。低温探测实验包括了CDMS、CRESST、EDEDWEISS及EURECA。惰性液体探测实验包含了ZEPLIN、XENON、DEAP、ArDM、WARP和LUX。这两种探测技术都能够从其他粒子与电子对撞的杂讯中辨识出暗物质与核子的碰撞。其他种类的探测器实验有SIMPLE和PICASSO。

DAMA/NaI、DAMA/LIBRA实验探测到一年性的事件数变化[1],并宣称此现象是源自于暗物质。(随著地球绕太阳公转,探测器与暗物质的相对速度会做小幅度的变化。)目前这个说法并未受到证实,同时也很难与其他实验的结果不相冲突[2]

方向性的暗物质探测方式是运用太阳系绕行银河系的运动。利用低压TPC,我们可以得知反弹路径的资讯,并借此去了解WIMP与原子核的作用。从太阳行进方向入射的WIMP讯号可以从各向同性的背景杂讯中分离出来。这类的探测实验包括有DMTPC、DRIFT、Newage和MIMAC。

2009年12月17日,CDMS的研究团队发表了两个可能的WIMP事件。他们估计这两起事件来自己知背景讯号(中子、错认的β射线或是伽马射线)的可能性是23%,并作出了这样的结论:“这个分析结果无法被视作WIMP的有力证据,但我们不能排除这两起事件来自WIMP的可能性。”[3]

CoGeNT实验于2011年5月公布先前15个月的探测结果,显示粒子的碰撞率呈现周期性变化,夏天较高而冬天比较低,这可以看作是暗物质存在的证据之一。这个结果支持已经进行了13年的意大利的DAMA/LIBRA暗物质探测实验。CoGeNT的实验结果显示探测到的WIMP的质量是中子质量的5到10倍,与某些实验不符,但是其他实验对低能暗物质的探测精度没有CoGeNT高[4][5]

相关条目

理论上的候选者

实验项目

参考资料

  1. ^ A. Drukier, K. Freese, and D. Spergel. Detecting Cold Dark Matter Candidates. Physical Review D. 1986, 33 (12): 3495–3508. Bibcode:1986PhRvD..33.3495D. doi:10.1103/PhysRevD.33.3495. 
  2. ^ R. Bernabei; 等. First results from DAMA/LIBRA and the combined results with DAMA/NaI. Eur. Phys. J. C. 2008, 56 (3): 333–355. arXiv:0804.2741可免费查阅. doi:10.1140/epjc/s10052-008-0662-y. 
  3. ^ The CDMS Collaboration, Z. Ahmed; 等. Results from the Final Exposure of the CDMS II Experiment. 2009. Bibcode:2010Sci...327.1619C. arXiv:0912.3592可免费查阅. doi:10.1126/science.1186112. 
  4. ^ 这周发生的暗物质实验争论. [2011-12-31]. (原始内容存档于2012-09-17). 
  5. ^ CoGeNT最新的暗物质结果. [2011-12-31]. (原始内容存档于2012-09-15). 

外部链接


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