强交互作用粒子

科技工作者之家 2020-11-17

强交互作用粒子(Strongly interacting massive particles,缩写 SIMPs),是一种彼此间以强力作用的假设粒子。在碰撞星系阿贝尔 3827,它们似乎是被散射而看起来落后于普通物质的暗物质。尽管与普通物质有微弱的作用,它们还是被推断可能是暗物质。然而,自那发现之后,根据对群集的进一步观测,就不在模型中给予考虑。

简介强交互作用粒子(Strongly interacting massive particles,缩写 SIMPs),是一种彼此间以强力作用的假设粒子。在碰撞星系阿贝尔 3827,它们似乎是被散射而看起来落后于普通物质的暗物质。尽管与普通物质有微弱的作用,它们还是被推断可能是暗物质。然而,自那发现之后,根据对群集的进一步观测,就不在模型中给予考虑。

强相互作用例子被提出作为解决超高能宇宙射线的问题,以及没有冷却流的星系星团。从1990年开始,各种实验和观测都对SIMP要成为暗物质产生了限制。SIMP的湮灭会产生巨大的热量。DAMA实验受限于使用的Nal(TI)晶体。测量天王星的能量过剩排除SIMP在150MeV至10GeV的可能。地球的热流极大地限制了任何截面。1

强相互作用强相互作用是作用于强子之间的力,是所知四种宇宙间基本作用力最强的,也是作用距离第二短的(大约在 10m 范围内,比弱相互作用的范围大)。另外三种相互作用分别是引力、电磁力及弱相互作用。核子间的核力就是强相互作用。它抵抗了质子之间的强大的电磁力,维持了原子核的稳定。强相互作用也将夸克基本粒子结合成为质子及中子等强子,这也是组成大部分物质的粒子。而且一般质子或中子里,大部分的质能是以强相互作用场能量的形式存在,夸克只提供了1%的质能。

强相互作用可以在二个地方看到:较大的尺度(约1至3飞米)下,强相互作用将质子及中子结合成为原子的原子核,较小的尺度(约0.8飞米,约为核子的尺寸)下,强相互作用将夸克结合,成为质子、中子或其他强子。强相互作用的作用力非常强,大到束缚一个夸克的能量可以转换为新的夸克对的质量,强相互作用的这个性质称为夸克禁闭。

强相互作用是唯一强度不会随距离减小的作用力,但因为夸克禁闭,夸克会限制和其他夸克在一起,形成的强子之间会有残留的强相互作用,也称为核力,核力会随距离而迅速减少。撞击原子核释放的部分束缚能和产生的核力有关,而核力也用在核能及核聚变式的核武器中。

强相互作用一般认为是由胶子传递的,胶子会在夸克、反夸克及其他胶子之间交换。胶子会带有色荷,色荷和人眼可见的颜色完全没有关系,色荷类似电荷,但色荷有六种(红、绿、蓝、反红、反绿、反蓝),因此会形成不同的力,有不同的规则,在量子色动力学(QCD)中有描述,这也是夸克-胶子相互作用的基础。吴秀兰等科学家对胶子发现有很大贡献的科学家,在1995年因此获得了欧洲物理学会髙能和粒子物理奖。

在大爆炸后,电弱时期时,弱电相互作用和强相互作用分离,统一弱相互作用和电磁相互作用的电弱统一理论已经获得实验证实。科学家进一步预期有一个大统一理论可以统一弱电相互作用及强相互作用,现今有许多是大统一理论的理论,第一个是哈沃德·乔吉和谢尔登·格拉肖于1974年提出了最早的SU(5)大统一理论,但和实验不合,其他的理论有SO(10)模型、乔吉-格拉肖模型,但还没有一个是广为科学家接受,且有实验证实的理论,而且许多大统一理论都预言质子衰变,但目前也还没有实验支持,大统一理论也还是未解决的物理学问题之一。1

大质量弱相互作用粒子大质量弱相互作用粒子英语:Weakly interacting massive particles,简称WIMP),是一种仍然停留在理论阶段的粒子,是暗物质最有希望的候选者。理论预言这种粒子应该有以下两个特点:

粒子只通过弱核力和引力产生相互作用,或者粒子的相互作用截面小于弱核力作用截面;

与普通粒子相比质量较大。

由于它们不参与电磁力作用,因此无法被直接探测到;由于它们不参与强核力作用,因此它们基本上与普通物质不发生相互作用;由于它们较大的质量,因此它们运动的速度相对缓慢,因而能够成团聚集。根据以上特点,WIMP被认为是最有可能的“冷暗物质”候选者。

现在很多实验正在寻找在理论上的“大质量弱相互作用粒子”(WIMPS)的粒子,它最有可能是暗物质。各个实验在地下的那些订做的设备全都等着一颗“大质量弱相互作用粒子”撞击原子核并引起一次反弹的时刻的到来。这样的实验必须在地下进行,以防止宇宙射线干扰结果。2

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本词条内容贡献者为:

程鹏 - 副教授 - 西南大学

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