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他们说轴子是暗物质的候选者,但轴子到底是什么以及如何产生

科学探索万象经验2023-05-08

由于其群结构,每个相互作用都具有数学属性:阿贝尔或非阿贝尔(交换或非交换)。电磁是阿贝尔的,强相互作用和弱相互作用是非阿贝尔的。如果是阿贝尔的,那么应该遵守所有这些对称性;如果是非阿贝尔,可以违背其中的任何一个或两个对称性,但不能同时违背三个。

强相互作用和弱相互作用一样是非阿贝尔的,但出于某种原因,我们在强相互作用中看不到任何违背对称性的存在。在标准模型中,并没有禁止强相互作用违反CP的情况。于是,有科学家认为,有什么东西在抑制这种CP违背,如果我们引入一个新的对称性,那么可以很好地做到这一点。

产生轴子的方法之一是在热大爆炸的早期阶段。宇宙在这一时期达到了最大的能量、温度和密度,根据爱因斯坦质能方程,宇宙会从可用的能量中产生物质,这包括轻的轴子。由于它们的质量极低,即使在今天,它们仍会以非常快的速度移动,这意味着它们将作为一种热暗物质。当然,热大爆炸也有一个公式来说明应该产生多少这些粒子。公式告诉我们,这些“热轴子”最多可以构成暗物质的0.1%。

早在20世纪90年代末和21世纪初,光子-轴子振荡就被认为是解释超远超新星看起来比预期更暗的潜在解释。今天,人们正在寻找来自恒星的轴子相互作用的间接信号。虽然轴子可以以这种方式产生,但它们仍然是热暗物质,而且也不可能达到宇宙中暗物质总量的1%。

我们不知道轴子的质量是多少,甚至不知道它的许多特性是什么,但质量越低,在这个跃迁过程中产生的轴子数量就越多。重要的是,这些轴子出生时运动非常缓慢,使它们成为冷而非热的暗物质。如果轴子在静止质量能量的几微电子伏特范围内,轴子确实可以构成我们宇宙中100%的暗物质。

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