科学家称星系团可用作暗物质对撞机来了解不可见粒子的性质

什么是暗物质?即使对于天体物理学家来说，这也是一个尚未解答的问题。这些看不见的粒子构成了宇宙中的大部分物质，约占整个宇宙的四分之一。它们被认为是将宇宙粘合在一起的宇宙胶水，但我们仍然不知道它们是哪种粒子。找到这个问题的答案可以让我们对已知宇宙的过去、现在和未来有前所未有的了解。

东北大学天体物理学家的一项研究为解答这个古老的问题提供了一种潜在的新方法。这项研究发表在《皇家天文学会月刊》上。

“宇宙中的一切都是粒子、波和场，因此基本假设是暗物质一定是粒子，”物理学助理教授、论文作者杰奎琳·麦克莱里 (Jacqueline McCleary) 表示。“问题在于它是一种什么样的粒子，因为粒子的概念非常模糊。”

论文中提出的方法涉及使用合并的星系群作为巨大的天然暗物质对撞机来观察暗物质与自身相互作用时会发生什么。它试图克服理解暗物质本质的一大挑战：我们在地球上无能为力。

大型强子对撞机等强大的粒子加速器帮助科学家通过高能粒子碰撞了解普通物质的性质，但暗物质无法以同样的方式操纵。

麦克莱里说，暗物质和普通物质一样占据着空间，但由于光无法与暗物质相互作用，因此我们的眼睛无法看到它们。然而，暗物质对宇宙仍有可测量的影响。科学家认为，整个宇宙中存在着大量网状暗物质，它们吸引着大多数普通物质，甚至帮助星系形成和成长。

这些研究人员不再依赖地球上的设备，而是向宇宙寻求帮助。在这种情况下，他们要观察星系团，即被引力吸引到一起的星系群。

“星系团也主要由暗物质组成，”麦克莱里说。“星系团质量的 80% 到 90% 是暗物质，物体质量越大，其暗物质粒子的运动速度就越快。你实际上是在研究高能碰撞。”

各种理论都认为暗物质是一种携带电磁力的光子、一种超轻中微子，甚至是一个微小的黑洞。麦克莱里说，目前流行的理论认为暗物质是一种 WIMP，即弱相互作用大质量粒子。顾名思义，它们是假设的大型、重型、缓慢移动的粒子，它们彼此之间以及与普通物质之间都存在弱相互作用。

“地面粒子探测实验已经进行了大约 20 年，但尚未有任何发现，”麦克莱里说。“这表明，暗物质可能并不是我们想象中最无聊的粒子。它可能不是纯粹的 WIMP，否则我们现在就应该发现了。这促使我们研究暗物质的其他粒子模型。”

本文提出的替代模型认为，如果这些星系团及其暗物质以足够的力量相撞，就应该能够观察到暗物质与自身的相互作用。McCleary 和研究团队的其他成员使用流体动力学模拟来模拟这些相互作用，流体动力学模拟是一种可以模拟粒子之间物理相互作用的大型计算机程序。在这种情况下，这意味着要编写暗物质、恒星和气体如何相互作用的物理模型。

观察暗物质碰撞可以帮助科学家确定一些基线粒子特征，从而帮助他们更好地寻找暗物质问题的答案。

麦克莱里说：“如果你可以测量一些自相互作用，或者你可以设置一些上限，那么你就可以排除或裁定暗物质可能存在的粒子类别。”

“如果你测量了一些自相互作用，那么你就会引入另一类粒子。你允许另一类理论。这篇论文还说，如果你研究一组正在合并的星系团，比如 100 个星系团，你就有机会测量暗物质的自相互作用到某个阈值。”

“这乍一看似乎违反直觉，因为我们总是想要一个肯定的答案：它是什么?”麦克莱里说。“但在这种情况下，我们不得不说，它不是什么?这是一个排除法。”

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