Asimina Arvanitak

　　撰文：Daniel Cossins

　　編譯：董依明

　　審校：吳非

　　暗物質(zhì)粒子是什么？這是縈繞在所有理論物理學(xué)家心中的疑團(tuán)。物理學(xué)家相繼提出了軸子、WIMP 粒子等暗物質(zhì)候選粒子，也試圖通過天上地下的多個(gè)實(shí)驗(yàn)尋找暗物質(zhì)，但它們?nèi)匀晃匆娵櫽啊Ｏ啾扔谶@些微觀世界中的候選粒子，希臘理論物理學(xué)家 Asimina Arvanitaki 提出的暗物質(zhì)理論足夠大膽。在她看來，形成于黑洞超輻射的暗物質(zhì)粒子，足足有一顆行星那么大！這個(gè)與眾不同的假說，是怎樣提出的？

　　特立獨(dú)行

　　“起初，我們也覺得這很荒謬。”在加拿大圓周理論物理研究所的辦公室中，Asimina Arvanitak 這樣說道。天文學(xué)家推測，宇宙中存在看不見的暗物質(zhì)，它們?yōu)樾窍稻墼谝黄鹛峁┮Α?duì)于 Arvanitak 的想法——黑洞產(chǎn)生的行星大小的漩渦狀粒子云就是暗物質(zhì)，我們一點(diǎn)都不驚訝。

　　這可是 Arvanitaki 的專長，她是第一位在圓周理論物理研究所獲得教授職稱的女性。她喜歡把被忽視的想法（不管它們聽起來多么遙不可及）拿出來，然后設(shè)計(jì)出巧妙、便宜的實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)它們。

　　Arvanitaki 的專業(yè)能力，再加上她異乎尋常的工作風(fēng)格，讓她在這一領(lǐng)域別具一格。“我很容易感到無聊，”她說，“我想看看特別的東西。否則，還有什么意義呢?”

　　Arvanitaki 喜歡太空，也喜歡汽車，但她不得不在上高中時(shí)，在工程學(xué)和物理學(xué)之間作出選擇。“我知道，我更感興趣的是事情為什么會(huì)發(fā)生，而不是如何發(fā)生。”

　　如今，她的目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)一些真正有意思的東西。粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型方程不僅描述了已知的所有粒子，還包括了這些粒子通過除了引力外的另外三種力如何相互作用。盡管這已經(jīng)足夠偉大了，但仍然遠(yuǎn)非完美：它沒有提到引力，也沒有提到暗物質(zhì)，而且也不能解釋引力為什么如此微弱，比如你每拿起一杯水就相當(dāng)于克服了整個(gè)星球的引力。

　　這些謎團(tuán)的線索本應(yīng)來自于物理學(xué)的旗艦實(shí)驗(yàn)——坐落于瑞士日內(nèi)瓦附近的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）。許多業(yè)內(nèi)人士都在期盼，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)能找到超對(duì)稱粒子。超對(duì)稱理論為每一個(gè)已知粒子引入了一個(gè)超重同伴，這或許可以解釋暗物質(zhì)的存在。但許多人對(duì)此表示懷疑，還有一些人則提議建造更大的對(duì)撞機(jī)。

　　“作為年輕人，我們多少知道，很多方法都已經(jīng)嘗試過了。我們不想只研究別人已經(jīng)研究過的東西。”于是，當(dāng)時(shí)在斯坦福大學(xué)讀研究生的 Arvanitaki 開始將目光投向那些不可能在對(duì)撞機(jī)中出現(xiàn)的東西。

　　黑洞旁的軸子

　　她被“軸子”（axion）所吸引。軸子是 20 世紀(jì) 70 年代提出的一種假想粒子，如果能證明軸子的存在，將破解粒子物理學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)未解之謎——強(qiáng)相互作用的電荷-宇稱問題。軸子非常輕，不帶電荷，是暗物質(zhì)的可能候選者。但問題是，軸子幾乎不與宇宙間任何物質(zhì)發(fā)生相互作用，所以它們永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上。這可能是軸子失寵的原因之一。

　　2010 年，為了復(fù)活軸子理論，Arvanitaki 和同事引入了弦論。弦論提出了十維空間（雖然還有待檢驗(yàn)），除了現(xiàn)實(shí)世界中的四維，其余六維必須足夠緊致，否則我們就能探測到它們了。根據(jù) Arvanitaki 的觀點(diǎn)，正是這種豐富的超維度結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了各種超輕軸子——她稱之為“string axiverse”。

　　行星大小的粒子云，正是基于這一猜想。當(dāng) Arvanitaki 寫出“axiverse”的字符時(shí)，一位同事問她是否聽說過黑洞超輻射。Arvanitaki 沒聽過。但是，在花了一年時(shí)間思考后，她開始意識(shí)到，如果軸子確實(shí)存在，黑洞超輻射可能會(huì)讓我們發(fā)現(xiàn)軸子。

　　超輻射是一種在某些類型的激光中倍增光子的完備過程，同樣適用于天體物理尺度。如果你有一個(gè)光子（根據(jù)量子力學(xué)，同時(shí)也是一種波），你向旋轉(zhuǎn)的黑洞發(fā)射它，它會(huì)從黑洞中提取能量和角動(dòng)量。換句話說，黑洞會(huì)給光子一個(gè)力。現(xiàn)在，如果你進(jìn)行同樣的操作，但是把無靜止質(zhì)量的光子換成有質(zhì)量、帶引力的粒子，比如軸子，情況就不一樣了。

　　“軸子波從旋轉(zhuǎn)的黑洞散射，由于黑洞的引力，隨后又反彈回來，如此往復(fù)。黑洞會(huì)不斷將一些能量加給它們，最終軸子呈指數(shù)增強(qiáng)。”Arvanitaki 說。黑洞超輻射會(huì)產(chǎn)生一團(tuán)由軸子構(gòu)成的巨大粒子云，這些軸子將以有序的方式排列，她補(bǔ)充說，“這很像原子軌道的形態(tài)，只是規(guī)模更大”。

黑洞超輻射形成粒子云的過程

　　問題是，為了制造這些所謂的“黑洞原子”，軸子的波長必須與黑洞的直徑一樣。波長與質(zhì)量成反比，但軸子偏偏屬于質(zhì)量超輕的粒子。“我們傾向于認(rèn)為粒子很小，但理論上講，它們沒有理由不可以像星系一樣大，”Arvanitaki 說。

　　對(duì)少數(shù)人來說，這并不陌生。Arvanitaki 與同事最近發(fā)現(xiàn)，軸子云可見于引力波的信號(hào)中。在這種情況下，不需要黑洞相互碰撞，云團(tuán)內(nèi)軸子之間的碰撞湮滅會(huì)產(chǎn)生引力子——構(gòu)成引力波的粒子。軸子和黑洞的結(jié)合，戲劇性地產(chǎn)生了 Arvanitaki 所描述的在各個(gè)方向都閃耀著的“引力信號(hào)”。Arvanitaki 希望從引力波信號(hào)中找到這樣特征性的信號(hào)。為此，她一直與 LIGO 的研究人員合作，準(zhǔn)備探測器的第三次運(yùn)行。這次運(yùn)行在今年 4 月開始后，立即檢測到了引力波。預(yù)計(jì)每隔幾周，研究團(tuán)隊(duì)就會(huì)繼續(xù)發(fā)現(xiàn)引力波信號(hào)。她將從這些信號(hào)中，繼續(xù)尋找暗物質(zhì)的線索。

　　原文鏈接：

　　https://www.newscientist.com/article/mg24232322-300-the-secret-of-dark-matter-could-be-a-particle-the-size-of-a-planet/

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的她要在黑洞边缘，验证最疯狂的暗物质理论的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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