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寻找难以捉摸的暗物质变成了虚拟

研究人员结合了50多万个星系的引力透镜数据,绘制了宇宙大部分暗物质的3D地图,这些星系分散在距离地球一定距离的地方。方框的三个轴(底部)对应于天空的位置和与地球的距离,从左到右递增。

科学家们认为,他们通过研究现实世界中可能与难以捉摸的宇宙物质行为相似的物质,找到了一种在实验室中寻找暗物质的虚拟方法。

暗物质是一种物质的名称,它似乎构成了宇宙的大部分,但仍令人沮丧地难以探测。

一些理论认为,暗物质实际上是由微小的粒子组成的,除了重力之外,这些粒子不会与光或规则物质相互作用。暗物质可能由一种前所未有的粒子组成,这种粒子被称为轴子,质量很小,没有电荷。

科学家们最近发现了轴子的理论性质与一种新发现的称为拓扑绝缘体的材料子集的理论性质之间的惊人联系。在拓扑绝缘体中,包括可以用于计算机芯片的材料,松散的电子很容易流过材料的表面,但不能很好地穿过内部。

由于描述拓扑绝缘体的相同数学也适用于轴子,研究人员认为,通过研究这些材料,他们可以了解更多关于如何找到暗物质的信息。

斯坦福材料与能源科学研究所的凝聚态理论家张守成说:“两者都用同一个数学方程来描述,这就是物理学的美。”“数学是如此强大——这意味着我们可以在拓扑绝缘体中研究这些东西,就像它们是一个婴儿宇宙一样。”

这项研究为寻找暗物质提供了一条新的途径,迄今为止,暗物质一直困扰着那些试图用灵敏的地下探测器和高功率粒子加速器捕捉这种奇怪物质但未能成功的科学家。

通过了解拓扑绝缘体是如何工作的,科学家们可以利用这些知识来理解轴子。研究人员表示,这可能揭示宇宙中暗物质基本性质的重要线索。

张说:“如果我们在桌面实验中‘看到’轴子,它将非常有启发性。”“这将有助于揭示暗物质之谜。”

张及其同事李润东、王静和肖良琦也来自斯坦福大学和SLACC国家加速器实验室联合运营的SIMES,他们在3月7日的《自然物理学》在线版上详细介绍了他们的研究。张还于3月15日在俄勒冈州波特兰举行的美国物理学会会议上宣布了他的研究结果。


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