暗物質(zhì)是宇宙中不發(fā)射、吸收或反射光的物質(zhì)，其中一種可能的暗物質(zhì)候選者是暗光子，它是一種與標(biāo)準(zhǔn)模型粒子通過動力學(xué)混合相互作用的超輕質(zhì)假想規(guī)范玻色子。最近，一組中國物理學(xué)家團(tuán)隊提出了一種利用不同射電望遠(yuǎn)鏡來直接探測超輕質(zhì)暗光子暗物質(zhì)的方法，他們的論文已發(fā)表在《物理評論快報》上。

什么是暗光子暗物質(zhì)

暗物質(zhì)是一種我們還沒有直接探測到的物質(zhì)，它占據(jù)了宇宙中大約85%的物質(zhì)。暗物質(zhì)的存在主要是通過它對可見物質(zhì)的引力作用來推斷的，比如它可以影響星系的旋轉(zhuǎn)速度和星系團(tuán)的形成。暗物質(zhì)的本質(zhì)是什么，是現(xiàn)代物理學(xué)中最重要和最神秘的問題之一。

暗光子是一種假想的粒子，它和我們熟悉的光子很像，但是有一些不同之處。首先，暗光子有一定的質(zhì)量，而光子是沒有質(zhì)量的。其次，暗光子和普通物質(zhì)之間的相互作用非常微弱，只通過一種叫作動力學(xué)混合的機(jī)制來實現(xiàn)。動力學(xué)混合就是說，暗光子和光子之間可以相互轉(zhuǎn)化，但是這種轉(zhuǎn)化的概率很小，取決于一個叫作動力學(xué)混合參數(shù)的常數(shù)。如果這個常數(shù)足夠小，那么暗光子就可以逃避我們目前的探測手段，成為一種可能的暗物質(zhì)候選者。

如何用射電望遠(yuǎn)鏡探測暗光子暗物質(zhì)？

射電望遠(yuǎn)鏡是一種用來觀測天空中射電波源的儀器，比如脈沖星、射電星系等。射電望遠(yuǎn)鏡有一個天線，可以接收到來自不同方向和頻率的射電波信號，并將其轉(zhuǎn)化為電信號。如果我們的銀河系中存在著暗光子暗物質(zhì)，那么當(dāng)它通過射電望遠(yuǎn)鏡的天線時，有一定的概率轉(zhuǎn)化為普通的光子，并產(chǎn)生一個單色的射電波信號。這個信號的頻率和強(qiáng)度取決于暗光子的質(zhì)量和動力學(xué)混合參數(shù)。因此，如果我們能夠在射電望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)中找到這樣一個異常的信號，并排除其他可能的干擾源，那么我們就有可能直接探測到暗光子暗物質(zhì)。

這篇論*做了什么？

這篇論文提出了一種新穎的方法，利用不同地點和時間的射電望遠(yuǎn)鏡來搜索暗光子暗物質(zhì)。作者指出，由于地球在太陽系中運(yùn)動，導(dǎo)致我們觀測到的暗光子暗物質(zhì)信號會隨著時間發(fā)生變化。同時，由于不同地點的射電望遠(yuǎn)鏡接收到的信號會有一個相位差，導(dǎo)致信號會隨著方向發(fā)生變化。因此，如果我們能夠同時使用多個射電望遠(yuǎn)鏡，并對比它們接收到的信號，那么我們就可以更容易地區(qū)分出真正來自暗光子暗物質(zhì)的信號和其他可能的噪聲或干擾源。

作者使用了中國最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡FAST的觀測數(shù)據(jù)，對1-1.5 GHz范圍內(nèi)的暗光子暗物質(zhì)進(jìn)行了搜索，并給出了動力學(xué)混合參數(shù)的上限約為10^-12，這比之前利用宇宙微波背景輻射給出的限制強(qiáng)了一個數(shù)量級。作者還預(yù)測了未來利用大規(guī)模干涉陣列射電望遠(yuǎn)鏡LOFAR 和SKA1 可以達(dá)到多么高的靈敏度，并展示了從10 MHz 到10 GHz范圍內(nèi)對暗光子暗物質(zhì)進(jìn)行全面覆蓋的可能性。

這篇論文有什么意義？

這篇論文展示了一種新穎且有效的方法，利用現(xiàn)有和未來建造的射電望遠(yuǎn)鏡來直接探測超輕量級的暗光子暗物質(zhì)。這種方法不僅可以提高探測靈敏度，還可以降低假陽性信號的可能性。如果成功探測到暗光子暗物質(zhì)，那么將會是對現(xiàn)代物理學(xué)和宇宙學(xué)的一個重大突破，揭示了宇宙中最神秘和最豐富的成分之一。