没有弱者！ 重粒子不能解释透镜引力异常 – Ars Technica

在清楚可见的宇宙是建立在暗物质框架上的几十年后，我们仍然不知道暗物质到底是什么。 在大尺度上，各种证据都指向所谓的 WIMPs：弱相互作用的大质量粒子。 但是有许多细节很难用 WIMP 来解释，几十年来对粒子的搜索一无所获，这让人们对 WIMP 以外的其他东西是由暗物质构成的想法持开放态度。

在众多候选者中，有一种叫做轴子，这是一种承载力的粒子，已被提议用于解决与物理学无关的领域中的问题。 它们比 WIMP 轻得多，但具有与暗物质一致的其他特性，因此人们对它们的兴趣很低。 现在，一篇新论文认为，引力透镜（主要是暗物质的产物）中存在一些特征，可以用类轴子特性更好地解释。

粒子还是波？

那么，什么是轴子？ 在最简单的层面上，它是一种非常轻的粒子，没有自旋，充当力的载体。 最初提出它们是为了确保描述将质子和中子结合在一起的强力行为的量子色动力学不会破坏电荷宇称守恒。 已经做了足够的工作来确保坐标轴与其他理论框架兼容，并且已经进行了一些研究来尝试找出它们。 但是，作为我们尚未弄清楚如何解决的问题的众多潜在解决方案之一，轴子已基本被削弱。

然而，它们作为潜在的暗物质解决方案引起了一些兴趣。 但暗物质的行为最好用重粒子来解释——特别是弱相互作用的大质量粒子。 轴子预计位于较轻的一侧，可能与近乎无质量的中微子一样轻。 对轴子的搜索也倾向于排除许多重质量，这使得问题更加明显。

但是轴子可能会重新出现，或者至少在 WIMPs 面朝植物时保持静止。 已经建立了许多探测器来尝试识别 WIMP 弱相互作用的指标，但它们都是空的。 如果 WIMP 是标准模型粒子，我们可以根据粒子对撞机中损失的质量推断它们的存在。 没有证据表明这一点。 这让人们重新考虑 WIMP 是否是暗物质的最佳解决方案。

在宇宙尺度上，WIMP 继续很好地拟合数据。 但是一旦你深入到单个星系的水平，就会有一些异常情况无法很好地解决，除非星系周围的暗物质晕具有复杂的结构。 当你试图根据暗物质产生引力透镜扭曲空间的能力来绘制单个星系的暗物质图时，类似的事情听起来很真实，从而放大和扭曲背景物体。

这项新工作试图将这些潜在的异常与 WIMPS 和轴子的性质差异联系起来。 顾名思义，WIMP 必须表现得像离散粒子，几乎完全通过引力相互作用。 相比之下，轴子必须通过量子干涉相互作用，这会在整个星系的频率中产生类似波浪的模式。 因此，虽然 WIMP 的频率应该随着与银河核心的距离的增加而逐渐降低，但轴子应该形成一个驻波（从技术上讲，是一个孤子），从而提高它们在银河核心附近的频率。 除此之外，复杂的干涉图案应该会产生轴基本上不存在的区域，以及它们以两倍于平均强度存在的其他区域。

难以定位

除了少数可能的例外，暗物质构成了星系质量的大部分。 鉴于此，这些干涉模式必定会导致来自星系不同区域的引力不均匀。 如果区域之间的差异足够大，这可能表现为引力透镜预期行为的轻微偏差。 因此，星系后面的物体必须仍然显示为透镜图像； 它可能不会按照我们预期的方式形成，也可能不会完全位于我们预期的位置。

建模表明这些像差足够小，甚至哈勃太空望远镜也无法捕捉到它们。 但是，通过将来自广泛分离的射电望远镜的数据合并到本质上是一个巨型望远镜的数据中，有可能在射电波长上探测到它们。 （这种方法使事件视界望远镜能够创建黑洞图像。）

至少在一种情况下，我们拥有该数据。 HS 0810+2554 是一个巨大的椭圆星系，位于我们和另一个星系中心的活跃黑洞之间。 前景星系产生的引力透镜产生了四个活跃星系的图像，每个图像都有一个明亮的星系核和两个从中延伸出来的大物质喷流。 可以将这四张图像的位置和失真与我们根据前景星系中典型暗物质晕的存在所期望的进行比较。

对于 WIMP 来说，这是一件相对简单的事情，因为我们只期望一种模式：当你远离银河系核心时，暗物质水平逐渐下降。 基于这种分布的镜头预测在匹配图像出现在镜头镜头位置的真实世界数据方面做得很差。

挑战在于基于混沌轴子的干涉模式执行相同的分析：在不同的初始条件下运行模型两次，你会得到不同的干涉模式。 因此，真正让真实世界的银河系中的那些人做镜片的可能性很小。 相反，研究团队运行了 75 个不同的模型，初始条件是随机选择的。 偶然地，我创建了一些类似于在真实世界数据中看到的失真，通常只影响带有镜头的四张图像中的一张。 因此，研究人员得出结论，透镜图像中的扭曲与轴子的量子干涉形成的暗物质晕是一致的。

那么，它们真的是轴子吗？

分析单个星系不会成为任何事情的关键，这里有很多理由要更加小心。 例如，研究人员对银河系中普通物质和可见物质的分布做出了一些假设，这也有引力的影响。 人们认为，椭圆星系是较小星系合并的结果，这可能会以微妙的方式影响暗物质的分布，而这些方式很难通过追踪正常物质的分布来检测。

最后，这种重叠模式只适用于异常轻的轴——大约 10^-22 电子伏特相比之下，电子本身的质量约为 500,000 电子伏特。 这将使轴子比中微子轻得多。

这篇新论文的作者本身对这里的证据大多持谨慎态度，他们的论文结尾是这样一句话：“确定是否 [WIMP- or axion-based dark matter] 更好地再现天体物理学观测将使天平倾向于新物理学的两个相似理论类别之一。 但他们在总结的最后一句话中漏掉了谨慎，他们写了“能力”。 [axion-based dark matter] 即使在 HS 0810+2554 等具有挑战性的情况下，透镜异常的分辨率，以及它在再现其他天体物理学观测方面的成功，也使天平向新物理学调用轴倾斜。 “

毫无疑问，我们很快就会看到，除了本文的作者和同行评审之外，物理学家是否也有这些观点。

自然天文学，2023 年。DOI： 10.1038 / s41550-023-01943-9 （关于 DOI）。