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在宇宙中寻找比夸克更小的“前子”
论文作者:J. Hansson 期刊:《物理评论D》
发布时间:2007-12-3 16:15:1
图片说明:有比夸克还小的粒子吗?
(图片来源:ArSciMed / SCIENCE PHOTO LIBRARY)
瑞典科学家最近提出,如果组成质子和中子的夸克确实是由更小的粒子——前子(Preon)构成的,那么在宇宙中可能探测到比中子星、夸克星更加致密的前子星,它的致密程度就好比把月球质量集中在豌豆大小的物体上。相关论文在线发表于《物理评论D》(Physical Review D)上。
瑞典吕勒奥理工大学(Luleå University of Technology)的Fredrik Sandin和Johan Hansson表示,前子可能存在于宇宙大爆炸后的超密块状物中,而这些物体可以被现有的天文观测技术探测到。这一结论使一项高度不确定的假说成为了一个可检验的观点。如果前子星确实存在,它们或许会占宇宙暗物质质量的很大一部分。
长期以来,人类逐渐知道了各种粒子间的组成关系。原子由质子和中子(合称强子)以及很轻的电子构成。强子又是由6种类型的夸克组成的。此外,还有6种与电子相关的基本粒子——轻子(Lepton)。
1974年,物理学家Jogesh Pati和Abdus Salam猜测,一类称为“前子”的微粒家族或许可以解释夸克和轻子的分化。1999年至2002年,Hansson和同事在《高能物理—现象学》(http://www.arxiv.org/abs/hep-ph/9909569)和《欧洲物理学快报》(J. Europhys. Lett. 60, 188–194,2002)上提出,三种类型的前子就足以构建所有已知的夸克和轻子。
2005年,Hansson和他的学生Sandin继续研究了物质能否以前子的状态结合成块,而不是“冷凝”成为夸克或者强子,所得到的答案是可能(Phys. Lett. B 66, 1-7,2005)。这些前子块(前子星)要比夸克星和中子星更加致密。
研究人员认为,前子块不可能由恒星坍塌形成,但可以是宇宙大爆炸的遗迹。当新生宇宙膨胀时,其中的物质不断变得稀薄,从而由前子物质成为夸克物质,最终成为构建恒星和星际气体的原子。不过,Hansson表示,一些宇宙早期的前子物质可能结合形成稳定的“气泡”,从未发生上述变化。
研究人员计算认为,这些前子“气泡”的质量小于普通恒星,不会超过地球质量的100倍,直径也不会超过一米。尽管没有下限,但Sandin和Hansson认为最小的前子块应该有豌豆大小,它的质量略小于月球。
可以想象,这样的物体散落在浩瀚的宇宙中有多么地难以发现。不过,研究人员表示,还是有一些方法能够找到它们。首先,从地球上看来,这些超密的物体能够弯曲其周围从背后射来的光线,也就所谓的“引力透镜效应”(gravitational lensing)。Sandin和Hansson表示,由于前子块很小,它们会对宇宙伽马射线产生最强烈的影响——让伽马射线光谱产生特殊的摆动。
如果两个前子块恰好由于引力形成共轨的双“星”系统,并且位于太阳附近,那么它们发射出的引力波(时空波动)就会被引力波探测器(gravity-wave detector)捕获。而如果这两个前子块很小,它们所发出的高频波动甚至无需使用现有的大型探测器,只需要桌面型设备就能探测到。
此外,一旦微小的前子块撞击了地球,还会激发出可探测的地震波。Hansson说,它们如此之小,只能在地球上钻一个洞。不过,它们会在直线的运动路径上留下地震波的踪迹,这与大陆板块间的摩擦有明显的差异。
现在,创造前子物质看起来是不可能了,因为这需要重现大爆炸的情景。那么,其他的物理学家会对前子星的说法有何反应?Hansson自己说,“他们要么十分热衷于此,要么认为这些都是毫无价值的垃圾,处于二者之间的人可不多。”
不过,英国玛丽女王学院(Queen Mary College)的理论物理学家John Charap似乎是这样一个中间者。他说,“这不是一个完全疯狂的想法,毕竟我们需要一些不错的疯狂观点来在认识暗物质方面取得进展。我们现在在为寻找暗物质合理的解释方法而挣扎,新的观点可能与其它一些一样,是不错的候选。”(科学网 任霄鹏/编译)
http://news.sciencenet.cn/htmlpaper/2007124144424275282.html
(《物理评论D》(Physical Review D),arXiv:astro-ph/0701768v2,F. Sandin, J. Hansson)
更多阅读(英文)
《物理评论D》论文摘要
https://arxiv.org/abs/astro-ph/0701768
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.76.125006
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