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当暗物质粒子撞击地球时会发生什么?

时间:2018-05-15  点击: 14

一大堆的锯齿形:也许当宇宙的神秘暗物质粒子撞击地球时会发生这种情况。 SDU研究人员现在可以通过模拟来展示它的外观。

行星地球一直在移动,在太空中飞行时碰撞着无数的暗物质粒子。尽管没有人见过这些神秘的粒子,但物理学家们对它们的存在毫无疑问。这就是为什么他们已经在全球安装了探测器,希望能够探测到其中的一个。

暗物质粒子可以穿透所有其他形式的物质,这意味着它们甚至可以穿过我们的星球而不会损失任何能量。另一方面,它们与地球构成的普通物质的影响可能会阻碍它们,导致能量损失。

丹麦南部大学宇宙学和粒子物理科学中心(CP3)的博士生Timon Emken说,我们只是不知道,而这绝对不会让它们更容易寻找它们。

科学家在世界上几个地方的地下洞穴中寻找暗物质粒子。这是桑福德地下研究机构。照片:www.sanfordlab.com。

颗粒在哪里去?

为了了解更多关于暗物质粒子如何与正常物质发生反应的信息,Emken列举了一台超级计算机的帮助。

其结果是一个程序,可以模拟暗物质粒子与地球的碰撞。

现在,我可以让计算机在屏幕上向我展示当一个暗物质粒子撞击地球时会发生什么。例如,我可以在屏幕上看到粒子从撞击到我们星球的表面之后到它离开的哪个轨迹。

弱或强的相互作用?

该仿真程序被命名为DaMaSCUS,它为物理学家提供了一个测试各种理论的新机会。该计划是免费提供的,其工作已经在JCAP期刊上发表。

在标准范例中,暗物质粒子以与地球内部原子相互作用的可能性很低的方式横穿地球。然而,地下探测器被调整来做到这一点,即捕获与探测器内的原子的暗物质粒子碰撞的罕见事件。

但是如果暗物质粒子不遵循标准范式呢?如果他们实际上与普通原子的相互作用力足够强大,那么当他们跨越地球表面并在地下行驶时,会失去足够的能量而无法察觉?在那种情况下,我们绝不会使用标准技术来发现它们,理论物理学家和CP3的副教授Chris Kouvaris说。

也许今天的暗物质探测器将永远不会遇到暗物质

他目前正在研究的一件事是暗物质粒子在横穿地球时发生显着散射的可能性。 Kouvaris和他的博士生Emken使用DaMaSCUS来演示这种情况会如何发挥。

DaMaSCUS模拟了数十亿个穿过地球并与地下原子显着散射的暗物质粒子,每次碰撞后都会发生锯齿形。

如果是这种情况,暗物质粒子与原子的地下散射可能会使暗物质粒子失去足够的能量,以便在我们今天部署的地下探测器中检测到。

今天的探测器如何工作?

因此库瓦里斯的提议是采取不同的方法寻找难以捉摸的粒子。

今天,有几个探测器放置在地球表面以下大约几公里的位置,并且有一个非常具体的原因是它们的位置远远低于地面:如果暗物质与普通物质(和中微子一样)与弱物质相互作用弱,只有这两种物种能够穿透地球的千米而不会停止。

这样做的优点是深层探测器可以避免来自不需要的宇宙和地面辐射以及背景噪声的信号污染。

为什么他们可能永远不会遇到暗物质

然而,根据Chris Kouvaris的说法,如果暗物质很轻,它实际上可能与普通原子发生强烈的相互作用,在通往探测器的路上失去能量,这可能使深层探测器无法捕捉它。

在这种情况下,使用地球表面的探测器搜索暗物质信号会更有意义,他说。

为了克服背景噪声问题,他建议不要试图区分暗物质和背景噪声,而应该在表面或低深度探测器中寻找日常变化的信号。

也许我们应该试试这个

因为地球正在相对于银河系的中心,银河系移动,暗物质主要从一个方向撞击地球。然而,由于地球围绕自身轴线旋转,来自暗物质方向的暗物质粒子在一天中的24小时期间行进不同的距离。

地下走的距离越大,地下散射的可能性越高。这是造成信号日常变化的原因。利用这种效应的最佳位置在南半球约40度的纬度,即在诸如阿根廷,智利和新西兰等国家。

使用DaMaSCUS,Kouvaris和Emken可以精确地确定这种日常变化信号的特征(振幅和相位),如果这种情况证明是真的,那么这可能导致发现暗物质。

什么样的未来?

Chris Kouvaris现在正在与暗物质实验DAMIC合作,该实验具有便携式探测器,可能用于测试Kouvaris的理论。在DAMIC的新阶段,便携式探测器将重达1公斤。它由丹麦公司TOPSIL生产的硅制成。

出版物:Timon Emken和Chris Kouvaris,“DaMaSCUS:地下散射对直接检测浅暗物质的影响”,JCAP10(2017)031; DOI:10.1088 / 1475-7516 /十分之二千零十七/ 031

来源:丹麦南部大学

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