理论物理学

追求中立

超对称性预示着中性粒子的存在。它的发现将推翻物理学的标准模型并解决暗物质的谜团。

皮埃尔·萨拉蒂 科学档案N°45
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1933年,天文学家Fritz Zwicky观测了该星团 昏迷位于头发的星座 贝伦尼斯,距离我们约有1.5亿光年。这个星团包含成千上万个与我们的银河系相当的星系,以及许多较小的物体。在其自身引力的作用下,这个巨大的系统已经朝着稳定的动态平衡发展,在该动态平衡中,星系的速度仅取决于它们承受的重力,因此取决于星团的总质量。

通过光谱测量,Zwicky确定了与观察到的动力学相对应的质量,令人惊讶的是,它比辐射光度所暗示的质量大100倍。因此,就像巨大的冰山一样,星团仅露出其质量的一小部分,其中大部分是黑暗的。暗物质之谜诞生了!从那时起,它吸引了天体物理学家,最近又加入了粒子物理学家。

因此,宇宙将由仍然未知且特别难以观察的物质组成 (请参阅David Cline的文章)。许多(间接)说明已经证实了这一假设的有效性,但是暗物质继续挑战着我们的工具和理论。可以肯定的是,核合成表明我们不是由中子和质子组成的(如果是这种情况,锂和氦的原始产生将比理论预测的要大得多) ,这个普通物质仅占宇宙的5%。

Zwicky发现隐藏物质的那一年,Carl Anderson发现了与电子相关的反粒子正电子。因此,他参加了高能物理学家的工作,以了解物质的紧密结构和无穷小规律。在宇宙辐射的阵雨中检测到,然后研究了基本粒子“ 体内 在巨大的加速器中。另外,理论家们在遵守对称性基本原理的同时报告了实验结果。这个想法经常被证明是成功的。

因此,从 ixe 二十世纪,詹姆斯·麦克斯韦(James Maxwell)表明,磁性和静电只是电荷物理性质的两种表现形式,这是公认的不同,而且所观察到的所有现象都可以归结为一种理论:电磁学。

在整个世界范围内,为建立统一的世界观所做的努力仍在继续。 xxe 发现放射性的世纪。在1920年代,β型放射性以及弱的相互作用引发了严重的争议,因为它似乎与物理学的最基本假设之一-能量守恒定律相矛盾。 β衰变是否应该让我们放弃这一基本原理,即通过及时翻译来翻译世界的不变性?

寻找对称

1931年,沃尔夫冈·保利(Wolfgang Pauli)想到了一个粒子 特设 在衰变过程中与电子一起发射 贝塔中微子 (请参阅Daniel Vignaud的文章)。真正的壁穿,这种电中性粒子只能被数十亿公里厚的铅阻挡。因此,保利(Pauli)刚刚发明了一种不可检测的粒子,以保存能量守恒定律。但是这种中微子确实存在,它将在35年后被发现。

导致麦克斯韦电磁学和保利贝塔衰变统一的理论也是科学预测的一个很好的例子,后来被实验证实。让我们来详细说明。

垂直箭头以两种不同的方向状态显示出来:指向上方或指向地面。但是,无论状态如何,它始终是我们可以从状态切换的实体(箭头)。 向上 到州 通过简单的旋转。巴基斯坦Abdus Salam和美国人Sheldon Glashow和Steven Weinberg于1967年提出,将电子和中微子以类似的方式关联在一个实体中:弱的同位旋双峰。他们提出了一种对称性,即所谓的量规,其性质不同于空间,可以将其中一个物种转化为另一个物种。

该理论还导致将物质的粒子(电子,中微子和核子)与在光子传输电磁相互作用时传递力的粒子区分开。前者以半整数自旋打开,并表现得像费米子:它们彼此远离,这种量子性质的排斥阻止了物质的崩溃。

相反,传达相互作用的粒子是玻色子。他们的旋转是完整的,它们倾向于以相同的状态聚在一起。电弱理论预测除了光子外,还存在中性玻色子 z0 和玻色子 w +w 。这些规范玻色子的质量约为100千兆电子伏,是在1983年发现的 塞恩 从日内瓦。

对所有相互作用进行解释的单一理论的探索也使理论家趋于引力。广义相对论基于时空的对称性为我们提供了几何描述。如何将后者与粒子物理学的抽象对称性统一起来?

在1960年代,俄国数学家想将庞加莱代数(与广义相对论相关)和李代数(特别适合描述电弱相互作用)联系起来。西德尼·科尔曼(Sidney Coleman)和杰弗里·门杜拉(Jeffrey Mendula)表明,只有使用包含能够将玻色子转化为费米子的算子的代数,才能实现这种融合。 反之亦然。这些思想汇集在一个新的理论体系中,即超对称性。

以与州相同的方式 向上 上一个箭头的仅仅是更基本实体的两种表现形式,超对称性与同一实体内的玻色子与每个费米子相关联,称为超对称多重性。这样,半中子自旋粒子(例如中微子)将只能是一种特定状态,可以被修改(在超对称抽象空间中旋转后)成像光子一样的完整自旋玻色子。

在Bruno Zumino和Pierre Fayet的领导下,提出了标准模型的超对称扩展。他们预测,每个已知粒子都与它的超对称双原子相关,与它的自旋仅相差半个单位。 (见图2)。因此,对于光子和规范玻色子 z0,超对称将photino(〜γ)和zino(〜z ),电中性旋转1/2费米子,就像中微子一样,但是非常大。这两种状态可以与希格斯诺斯混合,希格斯诺斯是一次与希格斯玻色子有关的类似物种,希格斯玻色子赋予了粒子质量。

这种混合物的结果是粒子比质子重30至1000倍,电荷为零。该物种通常被命名为neutralino,与环境之间的相互作用极弱。它的发现是未来大型强子对撞机( h),不久将投入使用 塞恩 (见图4)。如果被发现,中性分子将成为超对称性的标志,但它也可以很好地解决天文学上的暗物质问题。

中性人的生活

的确,在最初的纳秒内,中性粒子大量存在,与最初充满宇宙的原始等离子体处于平衡状态。随着介质的冷却,这种平衡被打破,中性分子之间的an灭导致其部分消失。但是,这些颗粒的消失并不完全。在相互歼灭和空间扩大的共同作用下变得稀缺,中性分子已经稀释到不再相互作用的程度,从而经历了真正的化学“猝灭”。

稳定后,它们现在形成了剩余种群。原始an灭的强度取决于残存粒子的数量,然后可以从理论上估计其数量。所涉及的有效部分(有效部分是衡量粒子在给定反应中相互作用的概率的物理量)约为10–36 平方厘米。这样的值导致足以解释宇宙学暗物质的中性物质的残留密度。

构成银河系的暗物质时,中性粒子的分布方式使得旋臂中恒星的旋转速度几乎恒定(而开普勒定律预测,其必须随着距中心的距离而减小的星系在增加)。

在1980年代,中性球的分布由当时流行的等温球模型描述:密度随着距离平方的倒数而降低。 r 在中心从半径为1至4千帕秒的中央同质核中移。承受重力,但无法辐射能量,中性粒子无法凝结为圆盘形式,并保持为多年生球形结构。最近,数值模拟的结果修改了这种典型的观点。所有这些都表明,在银河系中心附近,中性粒子的数量突然增加:那里的密度不再恒定,而是与 r γ。指数γ的值现在变化很小,并且最近已稳定在值-1附近。换句话说,在银河系中心附近,中性线的密度与半径成反比。

数值研究表明,中性分子在凝结形成光环时会通过重力交换大量能量。然后,光环的心脏趋向于塌陷以利于周边,从而使周围的能量得以回收,从而释放并释放能量。

此外,模拟突出显示了银河光环内漂浮着大量的中性粒子。那里特别稠密的暗物质应比其他地方消灭更多的强度。这些云然后可能会在天空中出现,成为发射伽马射线或高能中微子的热点。

星星围绕无线电源的运动 Sgr A * 位于银河系中心,揭示了一个非常重的深色物体的存在,该物体位于10号内 –3 此来源的差距。它被认为是恒星周围的超大质量黑洞 所以 -2举例来说,在不到16年的时间里,就以一个非常偏心的轨迹转动,其轨迹介于130到1900个天文单位之间(一个天文单位的长度约为1.5亿公里)。相比之下,冥王星距离太阳只有40天文单位,它需要250年才能完成一次完整的旋转。

连续观察恒星 所以 -2 速度的测量结果表明,黑洞的质量相当于太阳的四百万倍。保罗·贡多洛(Paolo Gondolo)和约瑟夫·希尔(Joseph Silk)最近提出,这个黑洞可能在银河系灯泡形成过程中已经凝结的中性白云的中心缓慢形成。已经具有中心发散(如数值模拟所示)的中性点,将被黑洞的塌陷更加强烈地吸引。集中效应被放大了。

我们对银河系晕圈的颗粒状结构和中央高浓度的中性基团的热情应该通过观​​察某些旋涡星系中心的平坦剖面(与发散分布相对)而减弱。另一个困难是暗物质团块。尽管模拟预测存在着数百个绕我们银河系旋转的子结构,但我们几乎观察不到十几个矮球形球体,即质量为一亿的大型球状星团比太阳大一倍。

模拟可能并非没有问题。特别是,对于两个虚拟粒子之间的碰撞的处理是微妙的,因为游戏中的引力可以变化几个数量级。相反,许多模拟的子结构可能实际上存在,但它们将无法保留其气体(可能是最初的恒星吹散的气体),因此仅包含暗物质。讨论是公开的,但是无论采用哪种模型,我们都知道太阳系中中性的密度为每立方厘米0.2到0.8吉电子伏特,并且它们的平均速度约为270每秒公里。

中性粒细胞的检测

超对称性已经成为高能物理和天文学的焦点。暗物质是由基本粒子组成的想法引起了人们的兴趣,以至于许多实验小组放弃了加速器,并致力于研究假设的宇宙中性粒子二十年。

第一种方法是直接检测它们对地面仪器的影响。中性粒子有时以高速穿过地球的方式与原子核相撞,并使其一部分动能(约10至100千电子伏特)成为检测的问题。使用了几种方法。闪烁的晶体(如碘化钠)将以少量闪光的形式记录能量沉积。诸如硅或锗之类的半导体材料将看到其化合价电子通过导带。它的电阻会突然下降。最后,冷却至几毫伏的辐射热计将记录通过的粒子温度变化所产生的影响。

另外的困难来自中性动物与环境互动的弱点。每天最多发生一次碰撞的现场应该是一公斤裸露的物质。但是,这种信号被自然放射性所淹没。例如,人体含有钾 40钾和碳 14C每秒造成数千次崩解。为了将小麦与谷壳分离,检测器由不透中子的聚乙烯防护罩保护,并安装在厚厚的铅堡内。这种金属通常是考古起源的,因此有时间去活化。最好使用铜(一种放射性背景噪声非常低的材料)。另外,为了防止宇宙介子,将实验安装在地下深处。

追求最佳灵敏度的竞赛是永久禁欲主义。法国合作去年创造的纪录 雪绒花 (请参阅第88页的方框) 刚刚被他的美国对手击败 光盘 现在能够检测到每天每公斤百分之一的事件。现在,这些实验可以检验超对称中性分子的假设。

中微子也可以通过天体物理特征间接检测到。的确,这些微粒今天继续消灭。该反应不会危及密度远低于大爆炸期间达到的密度的种群,但足以产生高能光子和中微子,正电子甚至反质子,而这种物种的数量多达几个。开始进行实验合作。

太空签名

因此,隐藏在我们银河系光环内的中性粒子可以通过产生宇宙光谱的特征来消灭它。根据计算,由于中性粒细胞的分布呈团块状,这种现象更加严重。因此,先前的数值模拟促使高能物理学家将注意力更加集中在银河系的中心。这是中性人必须产生最强歼灭信号的地方。

两个中性粒子碰撞后产生单色伽马射线引起了人们的极大兴趣。每个光子携带的能量等于两个父中性子之一的静止质量。相应的信号以高能伽马线的形式出现,这是迄今为止已知的常规过程无法模拟的。因此,这条线是中立生物存在的明确标志。

伽玛天文学的最新发展使他的研究成为可能。在1990年代初期,当等温球模型开始盛行时,对两光子线强度的早期估计是相当悲观的,对于三平方米的探测器,每年只发生一次。有必要大幅度增加收集表面,但要绕地球轨道运行(有人认为必须从太空进行观测,因为伽马射线被大气吸收了)。足球场的大小是不可想象的。

然后,美国Trevor Weekes开发了一种巧妙的方法,可以从地面检测最有能量的宇宙光子,同时从有问题的大气吸收中获利。当伽玛射线辐射到大气中时,它会在其中形成次级粒子簇阵,其传播速度比空气中的光快。随之而来的切伦科夫效应产生了与许多光学光子相关的发光前缘,可以使用小型普通望远镜将其收集在地面上。喷雾照射的表面半径可达一百米!这样就足以在几个不同的位置检测到该阵雨的一部分,以重建伽玛射线的初始方向和能量。

通过配备大面积区域,我们无需将太空望远镜伽玛望远镜送入太空,该伽玛望远镜的集光面积达到了几公顷,而对于新一代的望远镜,则只有十个,例如 赫斯 (见图1),这是在纳米比亚建立的德法合作组织。这种仪器特别适用于观测点源并因此检测出在银河系中心an灭的任何中性线。

实验的不确定性主要是由于选择了天体物理模型来描述银河系中心的中性白云。在等温均匀分布的情况下,即使是 赫斯 不会看到任何东西。另一方面,如果P. Gondolo和J. Silk的情况是正确的,那么超大质量黑洞周围的区域将在高能伽玛天空中显示为一个亮点,明确表明存在中性分子。因此,银河系的中心是大气切伦科夫望远镜的优先目标。

斗争是严峻的。日本经验 Cangaroo 在澳大利亚安装的设备观测到伽马辐射,但其能谱与中性信号不兼容。该项目 赫斯 即将发布其结果。

但是,没有伽玛线并不意味着我们必须放弃中性。例如,我们已经看到,在均匀的中心核的情况下,没有信号可望。此外,光子可能会被位于超大质量黑洞附近环境中的强磁场吸收。因此,物理学家必须探索其他特征,以考虑进行组合分析。

太阳心中的悲伤结局

通过相互an灭,中性分子特别产生了高能中微子,它们能够越过最黑暗的环境并不受阻碍地到达我们。银河系中心可以发出这些高能中微子,但这些粒子最强烈的来源是太阳的核心。像直接检测中所使用的辐射热计一样,这颗恒星一直被中性粒子不断穿过。每隔一段时间,这些粒子中的一个就会与太阳氢碰撞,并失去足够的能量以被重力捕获。在太阳的中心旋转,逐渐失去了所有的能量,中性分子下降到了恒星的中心,在那里找到了其他该死的东西。

这种积聚现象是暗物质在太阳能核心中缓慢积累的原因。这样的云通过an灭发射出许多物种,包括设法逃逸的高能中微子。如果我们成功地检测到它们,其特征将再次是明确的,因为它们的能量与特定于太阳的中微子的能量不成比例。

一对中性子的an灭产生的高能中微子立即从太阳逃逸。当它的轨迹直接穿过地球时,它可以转变成一种介子,一种大质量的电子。这种机制是从地球深处升起的高能μ子的来源。通过使水或冰越过,只要仪器指向下方,这些μ子就可以由契伦科夫效应产生,这些光电子可以被光电倍增管检测到。有了一系列这样的探测器,我们便有了一个真正的中微子望远镜。十年来,这种仪器一直在建设中。押注是大胆的,因为这一次您必须深入大海,就像法国项目一样 安塔雷斯 包括光电倍增管线 (见图5) 被淹在距土伦3,000米的深处。国际项目 阿曼达 我们选择了在南极洲穿刺的极地帽,以便将探测器安装在较深的地方,使冰变得透明。

寻找中立生物也可能使我们进入地球轨道。天文学上的暗物质通过an灭产生反粒子,这些反粒子被添加到常规的通量中,这是主要的宇宙射线与星际气体碰撞产生的。我们预计能谱会发生畸变,但是理论研究并未显示出清晰的特征。但是,合作发现了过量的正电子 。必须确认此度量,这就是为什么体验 阿姆斯 迫切等待即将在国际空间站上待三年的人。寻找中性人的活动将持续很长时间。

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