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探测地球周边的暗物质 | 科技速览

撰文 | 董唯元、杨凌、顾舒晨、韩若冰、于槐、小破
 
1 搜寻轴子的比赛
 
轴子(Axion)不仅是宇宙暗物质的理想候选者,也是标准模型扩展工作的核心焦点之一,承载着强CP问题、反物质缺失、宇称不守恒的来源等许多极为重要的基础理论问题。(参看《一个对称性解决三个宇宙学难题》)如果说2012年发现的“上帝粒子”是标准模型1.0版本的最后一块拼图,那么确认轴子的存在将是正式启动标准模型2.0版本升级之路的第一步。
 
如此重要的领域,自然吸引着众多参与者激烈角逐。自2014年以来,美国、欧洲和亚洲的多个研究机构,都纷纷加入搜寻轴子的比赛。仅在上周,《物理评论快报》(PRL)就分别在3月11日和3月13日接连发表了两篇探寻轴子实验的结论报告。这两篇论文分别来自美国华盛顿大学的ADMX实验室(Axion Dark Matter eXperiment),和韩国基础科学研究院的CAPP研究中心(Center for Axion and Precision Physics Research)。
 
两个研究机构采用的探测方式非常类似,都是采用“张网捕鱼”的方式希望捕获银河系中的轴子。他们所用的“网”,就是一个置身在强磁场中的微波共振腔。轴子一旦落入这张“网”,就会有一定概率转化为光子。于是暗物质轴子这种懒惰的小透明,就变身成为可探测的萤火虫。
 
不过轴子的质量出奇的微小,只有μeV量级,相当于电子质量的10-11(千亿分之一),所以即使转化成光子,能量也非常低,探测难度相当大。所以研究团队不能一次性扫描验证很多能谱,只能在一次次精心调校设备之后,一小段一小段的摸排轴子的质量范围。
 
来自ADMX的论文[1]排除了轴子质量范围在2.81-3.31μeV之内的可能性,加上两年前ADMX已经验证过的2.66-2.81μeV质量范围[2],现在已经排除的总体范围扩大到了2.66-3.31μeV。
ADMX排除掉的轴子质量范围 | 来源:[1]
 
来自韩国CAPP的论文[3]则排除了6.62-6.82μeV这一范围。有趣的是,CAPP的论文中除了展示自己的成果,还同时将ADMX等其他研究机构先前的成果也一并进行了横向对比。可惜论文从递交到发表存在一段时间延迟,所以在CAPP发表于3月13日的论文中,并未包含ADMX刚刚在两天之前公布的上述最新成果。
从这些无伤大雅的小小乌龙事件中,搜寻暗物质轴子这场竞赛的激烈程度也可见一斑。
 
[1] DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.101303
 
[2] N. Du et al. (ADMX Collaboration), Phys. Rev. Lett. 120, 151301 (2018).
 
[3] DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.101802
 
2 绝缘、超导和铁磁性可以同时实现?三层石墨烯做到了
 
通过将三层石墨烯交错叠加,加州大学伯克利分校王枫课题组和复旦大学张远波课题组的研究人员制备出了一种器件,可以同时实现三种迥异的性质:绝缘、超导和铁磁性。这种具有奇特性质的石墨烯器件有望应用于量子计算机等领域。相关研究已于近日发表在《自然》杂志[1, 2]上。
 
自2004年石墨烯被发现以来,这种仅由一层碳原子构成的二维材料就展现了诸多出众的热学、力学和电学等性质。2016年,两层石墨烯以“魔角”相互重叠而产生超导特性,更是引爆了“扭转电子学”(Twistronics)这一领域的热度。
 
传统电路中的磁性材料通常由含有铁或钴的合金制成。这种磁性材料如同条形磁铁一样自带南北极,可以作为硬盘存储数据的方式,磁极的方向代表1或0。但石墨烯由碳原子构成,本身并没有磁性。那么,研究人员是如何让石墨烯材料表现出铁磁性的呢?
 
在实验中,他们将三层石墨烯夹在两层氮化硼当中,以一定角度交错叠放,形成摩尔纹的超晶格。当施加门电压时,电子被驱使沿着相同方向做圆周运动,使得器件具有铁磁性。
三层石墨烯夹在两层氮化硼当中形成摩尔纹超晶格,内部具有铁磁性,边缘则表现出超导电性 | 来源:Guorui Chen/Berkeley Lab
 
测量结果表明,石墨烯内部不仅有铁磁性,而且是绝缘的,但是边缘却支持电流毫无阻碍地流动,也就是表现出超导电性。这些都是一种罕见的绝缘体——陈绝缘体(Chern insulator)的特征,表明材料具有非同一般的拓扑学性质。
 
进一步的计算表明,石墨烯器件有两个导电的边缘,而不是只有一个,因此,这种器件成为第一个被观测到的“高阶”陈绝缘体(陈数=2),而正是三层石墨烯内部强烈的电子相互作用导致了这种奇特的性质 。
 
“陈绝缘体”中的“陈”,来自以数学家陈省身名字命名的“陈数(Chern number)”。在二维材料中电子的动量空间上,对电子波函数的Berry相位积分,得到的数就叫陈数。陈数不为零的绝缘体被称为陈绝缘体。最为人所知的陈绝缘体大概是可以实现整数量子霍尔效应的二维电子气了。然而,使二维电子气成为陈绝缘体需要很强的磁场,而此次制备的石墨烯器件并不需要外加磁场。
 
陈绝缘体有望为操纵量子信息提供潜在的新方式,在量子计算领域,科学家一直专注于寻找陈绝缘体。而这项研究表明,石墨烯不仅有助于对超导的研究,如今也可用于研究二维材料的拓扑物理。
 
[1] Chen, G., Sharpe, A.L., Fox, E.J. et al. Tunable correlated Chern insulator and ferromagnetism in a moiré superlattice. Nature 579, 56–61 (2020)
 
[2] https://newscenter.lbl.gov/2020/03/04/2d-material-gets-a-new-gig/
 
3 撕开塑料袋也会产生微塑料
 
每年人类向环境排放百万吨级的塑料,而尺寸在1um-5mm的微塑料颗粒能够进入人体。人们对这些微塑料进入人体的过程并不完全清楚,普遍认为可能来自人类的食物链,比如海鲜、蜂蜜、自来水等,也可能来自于从空气中吸入。一项最新研究告诉我们,若要在生活中控制和减少微塑料的产生,还应该小心撕开塑料袋这类微小的行为。
 
一般来说,微塑料颗粒的产生有直接和间接两个源头,直接源头来自于工业生产,如化妆品内含有研磨作用的塑料微粒;间接源头是指一般塑料制品在物理、化学或生物作用下分解成的碎粒。来自哈尔滨工业大学和澳大利亚纽卡斯尔大学的研究者们发现[1],即使像撕开塑料袋、拧开塑料瓶盖等这样的日常行为也会产生微塑料。
 
科学家们用石英晶体微天枰(QCM)和傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR)查找这些行为过程中产生的微塑料,并用扫描电子显微镜(SEM)实际观察分析了这些微塑料的形态。
 
科学家们尝试对不同的塑料物品进行实验,包括塑料袋、塑料瓶、橡胶手套等,方法包括手撕、剪开、刀割等。各种不同的物品在不同的方法下,会产生不同形状的微塑料颗粒,产生的多少取决于用力的大小、粗暴的程度以及塑料材料的密度和尺寸等因素。这些微塑料颗粒会随着风或者水四处扩散和传播,进入到环境中,而其中的一部分最终会进入到人体,但它们的危险性还有待进一步研究。
 
[1] https://nature.com/articles/s41598-020-61146-4
 
4 探测地球周边的暗物质
 
按目前的认识,我们虽然尚不知道宇宙暗物质具体由哪些物质构成,但它们确定无疑地具有如下两大特点:一是几乎不参与电磁相互作用;二是有质量可以产生引力效应。前者是说暗物质可以像崂山道士一样穿墙而过,不受到普通物质的任何阻挡。而后者则更有趣,研究者们一直在思考:既然暗物质能够产生引力,那它们之间是否可以通过相互吸引结成团块甚至天体呢?
 
如果暗物质团块的质量超过月球质量以上,天文学家就可以通过一种称为“微引力透镜”的现象发现它们的踪迹。经过数十年的奋力搜索,现在天文学家已经基本确定,宇宙中不存在质量介于月球质量以上、15个太阳质量以下的暗物质天体。近年来,随着引力波探测能力的增强,这一结论进一步得到了加强。因为暗物质天体如果与中子星或者其他暗物质天体相互融合,也会辐射引力波,而LIGO至今也从没有收听到过这类引力波。
 
对于更小质量的暗物质团块,研究者们采用了另外一种方法进行探测:利用暗物质可以与普通物质相互穿透这一特点,捕捉暗物质团块进入其他普通物质时对重力产生的影响。如果在地球轨道上存在暗物质团块,那么随着地球公转,就会有暗物质穿过地球。当暗物质处在地球以内这段时间,就会对地表重力产生影响。
美国伯明顿大学的C. J. Horowitz和德国斯图加特大学的R. Widmer-Schnidrig正是基于这一思路,分析了诸多地球重力的历史数据。这些数据来自于世界各地的重力监测仪,拜超导技术所赐,这些监测仪器均以极高精度记录着地球重力场中哪怕极其微小的扰动变化。
 
经过分析,两位研究者得出的结论[1]是:地球轨道上不存在质量大于十万亿分之一地球质量的暗物质团块。看来暗物质似乎是一种非常不团结的物质,虽然能产生引力效应,却不愿意像普通物质一样互相抱团结合成整坨的团块。当然地球质量的10-13仍然是一个比较大的概念,差不多相当于6亿吨,比地球上所有活人加在一起的总质量还要多。
 
[1] arXiv:1912.00940v1 [astro-ph.EP]
 
5 达尔文进化理论的新证明
 
达尔文进化论中的一条理论首次得到了研究者的证明[1, 2]:动物亚种在进化中起着比以往认为的更重要的作用。一个物种是指一组可以在彼此之间自由繁殖的动物,有的物种包含多个亚种,即生理特征和繁殖地域有区别的群体。
 
《物种起源》一书写道:包含更多物种的动物谱系也应包含更多的“品种”。这里的“品种”即现代意义上的亚种。英国剑桥大学的研究人员通过观察自然学家数百年来收集的数据,证实了达尔文的假设。研究者发现,哺乳动物的物种和亚种之间的进化关系因其栖息地而异。在非陆地和陆地生境中,亚种的形成、多样化和数量增加的方式有所区别,这影响了亚种最终如何成为物种。
 
在研究物种丰富度与亚种丰富度之间的关系强度后,研究者还认为,亚种应当被看作是新物种形成的早期阶段,但是对于不同的组群,影响进化的因素不尽相同。
 
研究者提出了科学警告:人类对动物栖息地的破坏不仅会影响动物当下的生活,还将影响它们未来的进化,这些影响的大小取决于动物的活动和繁殖区域被破坏的程度。动物的亚种常常被忽略,但它们在长期的进化动力学中承担了重要角色。
 
这项研究可以用来预测人们应该重点保护哪些物种,以防止它们濒危或灭绝。
 
[1] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-03/sjcu-ood031620.php
 
[2] https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspb.2019.2702
 
6 科学家模拟印巴核战争,结果是全球闹饥荒
 
自上个世纪的冷战以来,目前全球有14000颗核弹头,其中95%都掌握在美国和俄罗斯手中。印度和巴基斯坦大概也各自拥有150颗。如果这两个国家发生核战争,各自发射了50颗广岛级核弹头,全球会发生什么?
 
前一段时间,朝鲜的核试验引起全球关注。印度和巴基斯坦在1947到1999年打了4场常规战争,很多专家更担忧这一对冤家手里的核武器。研究者们模拟双方在2025年发生核战争,结果是战争会导致1亿人直接死亡,而更多的人口将死于随后而来的全球饥荒。
 
来自美国哥伦比亚大学和芝加哥大学等机构的科学家进行的这项研究表明[1],即使两国发生上述规模的有限核战争,核爆炸之后将产生5百万吨粉尘冲向大气层,这将吸收大量的太阳光,并导致地球表面温度在接下来的5年中降低1.8摄氏度(3.25F)。全球的4种主要粮食作物,玉米、小麦、大豆、稻米将在此期间减产11%,随后的5到10年里才能逐步恢复产量。
 
这几种作物主要种植在北纬30度附近,主产区包括美国、加拿大、欧洲、俄罗斯和中国。这些区域温度不高,农作物的生长期较短,因此少量降温就会导致作物无法成熟。玉米在美国预计会减产20%、在俄罗斯减产50%;小麦和大豆也会大量减产;北半球稍南一些的区域以稻米为主,受到的影响会比其他三种作物小一些。在南半球,南美洲和非洲的玉米粮食产区甚至会因为这一变化而增产,但是无法填补北半球粮食作物的巨大减产。
 
由于全球粮食贸易和发达国家普遍的粮食盈余,届时这些盈余将被留在产粮国保证自身消费,而研究估计南半球将承担核战争引起的饥荒,全球70个最穷国家的13亿人口将不得不将口粮减少20%。
 
[1] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-03/eiac-eal031120.php
 
7 手如何从鱼鳍演化而来?
 
生命起源于海洋,而鱼类演化成四足动物登上陆地是生命演化史中的大事件。为了理解手足(四肢)如何从鱼鳍演化,填补四足动物登陆的缺失环节,科学家将目光投向肉鳍鱼中的希望螈目化石,其中常为人熟知的是提塔利克鱼(Tiktaalik)化石。
 
根据本周《自然》发表的一项研究[1, 2],一块拥有手指样胸鳍的希望螈(Elpistostege watsoni)化石为理解脊椎动物手的起源带来了新线索。这块长1.57米的化石同属于希望螈目,在2010年发现于加拿大魁北克的埃斯屈米纳克地层(Escuminac Formation),是迄今发现最完整的希望螈化石标本。
 
来自澳大利亚弗林德斯大学和加拿大魁北克大学的古生物学研究团队利用高能断层扫描技术对这块约3.8亿年前的化石进行研究,完整展示了胸鳍的骨骼结构。胸鳍上存在肱骨、桡骨和尺骨、成排的腕骨和指骨的结构,但同时保留了鳍条。研究人员表示,这种骨骼结构第一次展现了鱼鳍和指骨相连的情况,是在鱼类化石中发现的最像四足动物的例子,并且认为脊椎动物的手很可能起源于希望螈的胸鳍。
 
指骨的出现能够使鱼鳍更具有柔韧性,从而支撑鱼类的自重,使其能够在浅水或陆地上短暂活动,适应环境变化。这块化石为脊椎动物手部进化增添了新证据,将脊椎动物的指骨起源追溯到了鱼类。
 
[1] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-03/fu-aff031420.php
 
[2] https://www.nature.com/articles/s41586-020-2100-8
 
8 微调碳14定年法可能“改写”历史
 
放射性碳定年法是利用自然中碳14同位素的放射性确定年代的方法,是考古学中精度最高、应用最广的一种测年方法。放射性碳定年的结果可以用树轮纪年法来校正。从1986年开始,科学家根据北半球树木制作出树木年轮校正曲线并不断更新。这一曲线一直是欧洲和地中海放射性碳定年的基础,并为史前史设定了时间框架。但美国康奈尔大学考古学教授Sturd Manning的团队发现,越来越多的证据表明同一年的放射性碳水平在一些独立的小区域可能存在差异,因此某些历史事件的时间断定也需要微调,这将改变地中海地区历史上的某些关键年代。该研究成果已于3月18日发表于《科学进展》杂志[1, 2]。
 
地球上的放射性碳水平随着季节变动而存在差异,有冬季低、夏季高的特点,并能够体现在树木年轮上。由于地区间的季节差异造成的树木生长期的不同,仅使用单一的标准曲线并不能准确判定所有地区历史事件发生的年代。通过比较几千年前北欧和地中海的放射性碳数据,研究人员证实了地中海放射性碳水平存在一些虽然小却关键的变化时期,将导致几十年的定年误差。这对地中海地区历史年表的建立非常关键,很可能调和之前由于放射性碳定年与历史研究不一致而引起的诸多矛盾,如埃及法老图坦卡蒙死亡和埋葬的时间,以及圣托里尼大规模火山爆发日期的修正等。
 
这项研究还提出,有必要制定一个更详细的地中海地区放射性碳的数据库,以更严格地界定地中海考古的时间尺度,这也将有助于研究哪些文化影响了最终发展为古希腊文明的米诺斯和迈锡尼文化。
 
[1] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-03/cu-frd031820.php
 
[2] https://advances.sciencemag.org/content/6/12/eaaz1096



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