Shining New Light on Dark Matter

我们宇宙中大约80%的物质是看不见的。这种被称为暗物质的神秘物质因其对普通物质的引力而闻名于世。然而,尽管暗物质普遍存在,它仍然逃避直接检测。加州理工学院(Caltech)的理论物理学新教授凯瑟琳·祖雷克(Kathryn Zurek)对如何改变这一现状有一些想法。

她说,"I发展了暗物质的理论,以及如何通过实验探测暗物质的想法。"从某种意义上说,这是一项有风险的研究,因为我们不知道是否真的能探测到暗物质。我们需要运气、勤奋和好主意

Zurek于2001年在明尼苏达的伯特利大学获得物理学学士学位,2006年在华盛顿大学获得物理学博士学位。2009年至2014年,她在密歇根大学(University of Michigan)担任物理学教授;2014年至2019年,她先后在加州大学伯克利分校(UC Berkeley)和劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)担任科学家。她于2019年加入加州理工学院。

我们和Zurek讨论了暗物质的本质以及寻找它的真实身份。

我们现在对暗物质了解多少?

暗物质遍布银河系和宇宙。我们正在银河系中移动,当我们移动的时候,就会产生一股暗物质风,在我们说话的时候穿过这个房间。我们是通过暗物质对普通物质的引力作用来了解它的,但它并不发光,所以我们看不见它,我们也不知道它是由什么构成的。

现在最流行的解释暗物质本质的理论是什么?

大质量弱相互作用粒子是主要的候选粒子。wimp之所以如此命名,是因为它们与其他粒子的相互作用很弱。目前,诸如超级低温暗物质搜索(SuperCDMS)和氙1t (XENON1T)等实验仍在通过与原子核的相互作用寻找大质量弱相互作用大质量粒子,但到目前为止还没有找到任何证据。如果大的氙探测器不能很快探测到wimp,我们将需要更大的多吨级实验——这将变得非常昂贵。我们应该进行这些更大的实验吗?我认为对很多人来说,答案是否定的。

你建议我们如何寻找暗物质?

暗物质可能是我所说的黑暗或隐藏部分。他们的想法是,在我们的宇宙中,除了可见的部分,还有另一个部分,在那里暗物质有自己的动力学。例如,大质量弱相互作用粒子被认为是通过已知的弱相互作用力与粒子物理的标准模型相互作用。我们要求wimp参与解决标准模型中的一些问题,比如为什么希格斯玻色子有这么大的质量。相比之下,这些隐藏的粒子将通过一种新的力量与自身的动力学相互作用。这是一个在很多层面上的范式转变,包括我们寻找暗物质的方式。我们不要求暗物质解决任何可见宇宙的问题。它有自己的生命。

对于如何利用桌面实验来寻找暗物质,我提出了许多想法。已经为超级暗物质暗物质探测实验开发了大量的基础设施,我们可以利用这些实验已经取得的巨大进步,进行新的小规模实验,寻找黑暗区域。

你还在研究暗物质吗?

我们还想使用脉冲定时阵列,它涉及到宇宙中被称为脉冲星的闪烁物体的集合。这些将帮助我们研究暗物质的亚结构,或者基本上研究暗物质的块状结构。当一个暗物质的光晕或团状物在我们或脉冲星附近经过时,它会引起脉冲到达时间的变化。如果你用这种方法探测暗物质的子结构,那么暗物质的团块性揭示了它的基本性质。就像当你看向我们的宇宙,那里有各种各样的结构:行星、恒星、圆盘和细丝。暗区同样通过重力和暗区动力学的相互作用形成结构,我们想要研究这些结构在相似的尺度上是什么。

这种脉冲计时的工作是对直接用实验室实验探测暗物质的一种很好的补充。

像LIGO一样,这种研究被认为是高风险、高回报的吗?[2015年,LIGO通过首次直接探测引力波、时空涟漪而创造了历史,这一努力花了数十年的时间。]

是的,这和LIGO很相似,我们需要运气和自然。有了LIGO,他们不知道黑洞和中子星的合并率会高到足够快地探测到引力波。大自然对LIGO团队很好。从某些方面来说,暗物质研究是一个风险更大的命题,因为我们对其速率有更大的不确定性,但这是一个需要探索的重要问题。当LIGO发现引力波时,它成为天文学的一个新分支。如果我们发现了暗物质,它将成为物理学的一个新分支。

你有什么爱好想告诉我们吗?

我弹古典钢琴;其中包括很多勃拉姆斯、巴赫和贝多芬,还有一些20世纪的作曲家和即兴创作。但是现在,有很多莫扎特的音乐都有一些即兴的地方,我有一个喜欢随着音乐跳舞的小女儿,莫扎特的音乐旋律和节奏都很简单。我也喜欢山,它曾经意味着长距离的徒步旅行,越野滑雪,和一些攀登,但是这些天,我的女儿和我走得慢一些,谈论植物和树木,它们的花和叶子。

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