新的发现显示,光原子核的反物质对应物在被吸收之前可以在银河系中旅行很远的距离。
当这些粒子旅行时,它们有可能充当暗物质的 "信使",因此这一发现可以帮助天文学家寻找暗物质,这种神秘的物质占宇宙总质量的85%左右,但由于它不与光相互作用而一直不可见。
ALICE合作项目的科学家们利用反氦核得出了这一发现,反氦核相当于氦核的反物质,由大型强子对撞机(LHC)上的重原子核碰撞产生。
ALICE物理学协调员Andrea Dainese在一份声明中说:"我们的结果首次在直接吸收测量的基础上表明,来自远至我们银河系中心的反氦-3核可以到达近地位置。"
尽管这种形式的反物质可以在像大型强子对撞机这样的粒子加速器中产生,但地球上并没有反物质核或 "反核 "的自然来源。然而,这些反粒子是在银河系的其他地方自然产生的,科学家倾向于两种可能的来源。
第一个建议的反核来源是来自太阳系外的高能宇宙辐射与填充在恒星之间空间的所谓星际介质中的原子之间的互动。
另一个建议的反核来源是遍布银河系的暗物质粒子的湮灭。虽然科学家们对暗物质知之甚少,但他们可以肯定,暗物质不是由质子和中子等粒子组成的,这些粒子构成了形成恒星、行星和我们的日常物质。科学家们认为,与此相反,暗物质是由各种各样的粒子组成的,它们有着丰富多彩的名字,如WIMPs(弱相互作用的大质量粒子)和MACHOs(大质量紧凑光环物体)。
一种情况表明,当暗物质粒子碰撞时,它们会湮灭成粒子,然后衰变成轻物质和反物质粒子,如电子和它们的反物质对应物--正电子。如果暗物质湮灭确实是宇宙中反物质的一个来源,那么反物质可以为暗物质指明方向,科学家希望如此。
对了解更多暗物质的追求促使了天基任务的发展,如国际空间站上的阿尔法磁谱仪(AMS)。AMS是在欧洲核子研究中心设计的,用于搜索宇宙中可能表明存在神秘的暗物质的轻质反物质核。
但是为了确定暗物质是否是反核子的来源,操作AMS和类似实验的科学家首先需要知道有多少轻质反物质可以通过银河系到达它们的近地位置,也被称为反粒子的 "通量"。
这种通量取决于几个因素,包括反物质源,它产生反核的速度,以及反核从银河系中心到地球的过程中消失的速度。这种消失发生在反物质粒子遇到传统物质的粒子时;要么两者都被湮灭,要么反物质被物质吸收。
ALICE合作组织通过使用大型强子对撞机来研究反物质的消失,这些铅原子已经被电离,或被剥夺了电子。然后,物理学家们测量了由这些碰撞产生的反氦-3核如何以ALICE探测器的形式与正常物质相互作用。该实验首次揭示了反氦-3原子核在遇到普通物质时的消失速度。
随后,研究人员使用一个计算机程序模拟了反粒子在星系中的传播,并将在ALICE测量到的消失率引入这个模型。这个模型使研究人员能够将他们的结果推断到整个星系,并查看两种建议的反核生产机制。一个模型假设反物质来自与星际介质的宇宙射线碰撞,另一个模型则将反物质归因于一种被称为弱相互作用大质量粒子(WIMPs)的假设的暗物质形式。
对于这些机制中的每一种,ALICE团队都估算了银河系对反氦-3核的透明度--换句话说,反氦-3核在被摧毁或吸收之前可以自由移动的距离。这些模型显示,暗物质模型的透明度约为50%,宇宙射线碰撞模型的透明度为25%至90%,这取决于所产生的反核的能量。
这些数值表明,源自任何一个过程的反氦-3核都可以传播很远的距离--高达数千帕斯卡,每千帕斯卡相当于大约3300光年。(根据美国宇航局的数据,银河系大约有30千帕斯宽)。
这些结果在未来的实验中可能很重要,这些实验计算有多少反核到达地球周围,以及以何种能量到达,希望确定这些反粒子的来源是宇宙射线碰撞还是暗物质湮灭。
ALICE发言人Luciano Musa在同一声明中说:"我们的发现表明,对来自外层空间的轻质反物质核的搜索仍然是寻找暗物质的一个有力途径。"