暗物质粒子是什么？

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Asimina Arvanitak

暗物质粒子是什么？这是萦绕在一切理论物理学家心中的疑团。物理学家相继提出了轴子、WIMP粒子等暗物质候选粒子，也企图经过天上地下的多个试验寻觅暗物质，但它们依然未见踪迹。比较于这些微观国际中的候选粒子，希腊理论物理学家Asimina Arvanitaki提出的暗物质理论满足斗胆。在她看来，构成于黑洞超辐射的暗物质粒子，足足有一颗行星那么大！这个与众不同的假说，是怎样提出的？

特立独行

起先，咱们也觉得这很荒唐。 在加拿大圆周理论物理研讨所的办公室中，Asimina Arvanitak这样说道。天文学家估测，国际中存在看不见的暗物质，它们为星系聚在一起供给引力。关于Arvanitak的主意黑洞发作的行星巨细的漩涡状粒子云便是暗物质，咱们一点都不惊奇。

这可是Arvanitaki的特长，她是榜首位在圆周理论物理研讨所取得教授职称的女人。她喜爱把被忽视的主意（不论它们听起来多么遥不行及）拿出来，然后规划出奇妙、廉价的试验来查验它们。

Arvanitaki的专业才能，再加上她与众不同的作业风格，让她在这一范畴独具匠心。我很简单感到无聊，她说，我想看看特别的东西。不然，还有什么含义呢？

Arvanitaki喜爱太空，也喜爱轿车，但她不得不在上高中时，在工程学和物理学之间作出挑选。我知道，我更感兴趣的是工作为什么会发作，而不是怎么发作。

现在，她的方针是发现一些真实有意思的东西。粒子物理学的规范模型方程不只描绘了已知的一切粒子，还包含了这些粒子经过除了引力外的别的三种力怎么彼此作用。尽管这现已满足巨大了，但依然远非完美：它没有说到引力，也没有说到暗物质，并且也不能解说引力为什么如此弱小，比方你每拿起一杯水就相当于克服了整个星球的引力。

这些疑团的头绪本应来自于物理学的旗舰试验坐落于瑞士日内瓦邻近的大型强子对撞机（LHC）。许多业内人士都在期盼，大型强子对撞机能找到超对称粒子。超对称理论为每一个已知粒子引入了一个超重火伴，这或许能够解说暗物质的存在。但许多人对此表明置疑，还有一些人则提议缔造更大的对撞机。

作为年轻人，咱们多少知道，许多办法都现已测验过了。咱们不想只研讨他人现已研讨过的东西。所以，其时在斯坦福大学读研讨生的Arvanitaki开端将目光投向那些不行能在对撞机中呈现的东西。

黑洞旁的轴子

她被轴子（axion）所招引。轴子是20世纪70年代提出的一种设想粒子，假如能证明轴子的存在，将破解粒子物理学范畴的一个未解之谜强彼此作用的电荷-宇称问题。轴子十分轻，不带电荷，是暗物质的或许候选者。但问题是，轴子简直不与国际间任何物质发作彼此作用，所以它们永久不会呈现在大型强子对撞机上。这或许是轴子失宠的原因之一。

2010年，为了复生轴子理论，Arvanitaki和搭档引入了弦论。弦论提出了十维空间（尽管还有待查验），除了实际国际中的四维，其他六维有必要满足紧致，不然咱们就能探测到它们了。依据Arvanitaki的观念，正是这种丰厚的超维度结构发作了各种超轻轴子她称之为string axiverse。

行星巨细的粒子云，正是依据这一猜测。当Arvanitaki写出axiverse的字符时，一位搭档问她是否听说过黑洞超辐射。Arvanitaki没听过。可是，在花了一年时刻思考后，她开端意识到，假如轴子的确存在，黑洞超辐射或许会让咱们发现轴子。

超辐射是一种在某些类型的激光中倍增光子的齐备进程，相同适用于天体物理标准。假如你有一个光子（依据量子力学，一起也是一种波），你向旋转的黑洞发射它，它会从黑洞中提取能量和角动量。换句话说，黑洞会给光子一个力。现在，假如你进行相同的操作，可是把无停止质量的光子换成有质量、带引力的粒子，比方轴子，状况就不相同了。

轴子波从旋转的黑洞散射，因为黑洞的引力，随后又反弹回来，如此往复。黑洞会不断将一些能量加给它们，终究轴子呈指数增强。Arvanitaki说。黑洞超辐射会发作一团由轴子构成的巨大粒子云，这些轴子将以有序的方法摆放，她弥补说，这很像原子轨道的形状，仅仅规划更大。

黑洞超辐射构成粒子云的进程

问题是，为了制作这些所谓的黑洞原子，轴子的波长有必要与黑洞的直径相同。波长与质量成反比，但轴子偏偏归于质量超轻的粒子。咱们倾向于以为粒子很小，但理论上讲，它们没有理由不行以像星系相同大，Arvanitaki说。

对少数人来说，这并不生疏。Arvanitaki与搭档最近发现，轴子云可见于引力波的信号中。在这种状况下，不需要黑洞彼此磕碰，云团内轴子之间的磕碰湮灭会发作引力子构成引力波的粒子。轴子和黑洞的结合，戏剧性地发作了Arvanitaki所描绘的在各个方向都闪耀着的引力信号。Arvanitaki期望从引力波信号中找到这样特征性的信号。为此，她一向与LIGO的研讨人员协作，预备探测器的第三次运转。这次运转在本年4月开端后，当即检测到了引力波。估计每隔几周，研讨团队就会持续发现引力波信号。她将从这些信号中，持续寻觅暗物质的头绪。

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