在宇宙中寻找比夸克更小的“前子”

邓文龙

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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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