@ 2020.03.22 , 13:00

我们未能在英仙座星团中心找到「轴子」

在一处距离我们2亿光年的星系团的核心,天文学家未能发现被称为轴子的亚原子粒子的踪迹。

这制约了我们对轴子机制的研究,但它对弦论和描述宇宙万物的大一统理论的发展具有重大意义。

英国剑桥大学的天体物理学家克里斯托弗·雷诺兹(Christopher Reynolds)说:“直到最近,我才意识到X射线天文学家能给弦理论方面能带来多少好处,我们可以发挥重要作用。”

为了刻画宇宙运作的原理,我们已经构建出了非常壮观的理论框架。其一是广义相对论,它描述了宏观层面上的物理学。另一个是量子力学,它描述事物在原子和亚原子水平上的行为。

最大的问题是两大体系之间的并不完全融洽。广义相对论不能应用到量子水平,量子力学也不能用于宏观现象。为了调和两者,我们做出了无数艰苦的尝试,发展出所谓的万物理论。

最有前途的备选答案之一是所谓的弦理论。弦理论用微小的、振动着的一维弦代替粒子物理学中的点状粒子。

此外,众多弦论模型都预言了轴子的存在——1970年代首次有人提出的超低质量粒子——是为了解释,为何强原子力遵循所谓的电荷共轭奇偶性对称性,而大多数模型却显示,它们不用遵循。

轴子粒子的特性之一是,当它们穿过磁场时可以转化为光子。相反,光子在穿过磁场时可以转换成轴子。这种转化的发生取决于一系列因素,包括磁场强度、行进距离和粒子质量。

雷诺兹和他的团队一直在使用钱德拉X射线天文台研究名为NGC 1275星系的核心处的原子活动。该星系约在2.37亿光年外,位于英仙座星系团的中心。

他们花了8天的时间观察到了有关黑洞的几乎所有信息。但是后来他们意识到,这些数据可以被用来寻找类轴子粒子。

雷诺兹解释说:“来自NGC1275的X射线需要穿过英仙座星团的热气体,并且气体被磁化。磁场相对较弱(相当于地球表面的磁场10000分之一),但是X射线需要在此磁场中传播很远的距离。这意味着有足够的机会把这些x射线的光子转化为类轴子粒子(前提是轴子的质量足够小)。”

由于发生转换可能性取决于X射线的波长,因此应显示出失真的观察结果,因为某些波长的转换要比其他波长更有效。团队经过大约一年的艰苦工作,但最终也没有看到这种失真。

这意味着可以用他们的观测结果,限制轴子质量的可能范围——低至电子质量的十分之一左右。

英国诺丁汉大学的天文学家海伦·罗素说:“我们的研究并不能排除这些粒子的存在性,这些限制挖掘出了弦理论的特性范围,并有助于弦理论家修正理论。”

这项研究已经发表在《天体物理学杂志》上。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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