粒子物理十大不可思议故事！

2023年让我们大开眼界的粒子物理学（高能物理学）故事

以下是今年粒子物理学领域的 11 项重大进展。

有史以来最亮的伽马射线暴，在其爆发后一小时左右斯威夫特 X 射线望远镜观测到它。

(图片来源：航空航天局/斯威夫特X射线望远镜/安德烈·比尔德莫（莱斯特大学）)

在过去的一年中，粒子物理学大获全胜。实验和自然合力产出了一些着实令人惊叹的成果。以下是 2023 年有关这些最小粒子的最大新闻。

“太阳女神”降临

宇宙射线撞击望远镜阵列实验中探测器的示意图。(图片来源：大阪都立大学/L-视野、暨培养具有全球视野的下一代顶尖研究人员计划，京都大学/竹重龙之介）

1992 年，天文学家惊讶地发现了一种宇宙射线，它以 320 埃电子伏特的惊人能量冲入地球大气层，后来被命名为“哦我的上帝”粒子。从人类的角度来看，这并不是一个很大的数字——大约相当于一个篮球自由落体撞击地面的能量。但对于亚原子粒子来说，这是个巨大的数字，远超人造粒子对撞机实验所得到的数值。去年，“哦我的上帝”粒子有了新伙伴：一种能量超过 240 埃电子伏特的粒子，科学家以神话中的太阳女神将它命名为“天照”。这种新粒子是在犹他州的望远镜阵列项目中发现的，它进入了超相对论高能宇宙射线的稀有名单。这些稀有粒子来自宇宙中能量最高的事件，但仍旧是极其神秘的。比如说，“天照”似乎来自“本地空洞”，这是我们宇宙学邻域中一大块物质量很少的空间。

2. 你要给谁打电话？幽灵粒子。

（图源：牧野由也，南极冰立方中微子天文台/国家科学基金会）

全世界的天文学家都在寻找中微子。这些“幽灵粒子”在各种核反应和高能反应中产生，但它们几乎不与正常物质发生相互作用。因此，为了捕捉中微子，天文学家转向使用大型天文台，比如南极冰立方中微子天文台，该天文台将南极一整立方千米的冰层用作了中微子探测器。得益于这个灵敏的仪器，天文学家今年宣布，我们的银河系正在产生大量的中微子。虽然我们早就知道其他更遥远的星系会产生极大量的中微子，但这个观测结果是我们银河系也会产生中微子的第一个直接证据，因此是为中微子学科开辟了一条全新的道路。

3. 感受律动

维拉脉冲星效果图（图源：德国电子同步加速器研究所科学传播实验室）

众所周知，脉冲星是一种神奇的天体。它们属于中子星，这种天体是死亡恒星剩下的物质所组成的。它们能把数倍于太阳质量的物质压缩到比一座城市还小的体积里。旋转速度最快的中子星能转得比厨房搅拌机还快。有时，它们会射出电磁辐射束，如果这些辐射束碰巧“唰”过地球，我们就会称它们为脉冲星。今年，天文学家们又发现了另一个“天文之最”：从脉冲星中探测到了有史以来能量最高的伽马射线光子。天文学家利用位于纳米比亚的高能立体望远镜系统，观测到了来自一颗脉冲星的光子，这颗脉冲星位于维拉星座方向约1000 光年处。这种能量下的单个光子能量比典型的太阳耀斑产生的光子威力大 200 多万倍，所以它们产生在如此遥远的地方可是件好事。

4.现在，是极亮之船

智利南双子望远镜观测到到创纪录的 GRB221009A 伽马射线暴。(图源：双子星天文台/光学-红外天文实验室/国家科学基金会/大学天文研究协会/布里安·奥康纳 (马里兰大学帕克分校/乔治·华盛顿大学) 及 吉莉安·拉斯汀贾德和方文辉（西北大学）)

说到伽马射线，脉冲星并不是唯一能够发射这种射线的天体。事实上，有些爆发因非常强烈，所以也被恰当地称为伽马射线暴。2022 年，天文学家观测到了有史以来最亮的伽马射线暴，他们将其命名为“船”（BOAT），意为“有史以来最亮的”（即词组大写首字母缩写）。到了2023年，另一个天文学家团队确定，“船”源自银河系后方的一个星系，其威力足以扰乱地球上层大气。强烈的辐射影响了电离层（位于 50 到 350 公里的高度之间）。研究小组表示，实际影响并不是很大，但存在影响这一事实令人惊讶。

5. 反重力不存在了

研究反物质引力状况的实验示意图。(图源：凯伊“奥尼克斯”李/国家科学基金会）

反物质与普通物质一样，只是它带有相反的电荷。例如，正电子的质量和自旋与电子相同，但它带有正电荷而不是负电荷。反物质于20 世纪初被首次发现，是理论物理学的重要基石。但是，除了电荷之外，反物质和普通物质到底有多相同呢？今年，物理学家确定：没错，它们的行为都是一样的，尤其是在对引力的反应上。

广义相对论认为，反物质和普通物质的行为应该完全相同，但直到今年才进行了确凿的结论性测试。这并不令人惊讶，但能把这类事情从待完成清单上划掉也是件好事。毕竟，大自然还会给我们带来很多惊喜，而且你永远不知道会在哪里发现它们。

6. 中微子工厂

黑洞喷流直指地球的插图。(图源：航空航天局/戈达德太空飞行中心概念图像实验室）

中微子有各类型的能量，也有多种奇特的来源。2023 年，天文学家又发现了一个新来源：巨型黑洞。黑洞本身并不会产生中微子——毕竟，没有什么能逃出它们的引力魔掌，但卷入其巨口中的气体肯定会产生中微子。在那里，等离子体的速度会达到部分光速，并加热到数万亿度。这些能量足以产生各种疯狂的粒子，包括中微子，因此天文学家发现中微子不断冲刷着地球。

7. 暗物质谜团

两张图片代表了相同的太空区域。但在右边的图里，暗物质预计出现的位置由蓝色标出。（图源：航空航天局、航天局、M·詹姆斯·吉和 霍兰德·福特（约翰·霍普金斯大学））

宇宙中的大部分物质是一种神秘的物质，被称为暗物质，我们只能通过它对星系和更大尺度宇宙的引力影响来间接探测它。目前还没有一种修订后的引力理论可以解释这一结果，因此我们目前的最佳猜测是暗物质是某种未知粒子。

科学家们一直致力于利用分布在世界各地的探测器寻找这种粒子的踪迹，而今年，超低温暗物质搜索组织宣布……他们还没有找到它。这并不是一件坏事；该团队确实为暗物质提出了更严格的约束条件，有助于缩小未来的搜索范围——但搜索仍在继续。

8. 当黑暗吞噬光明

银河系周围预计存在的暗物质环示意图。(图源：南方天文台/L·卡尔萨德）

暗物质如此神秘，甚至可能存在于我们目前看不见的全新物理学领域。举个例子，可能存在新的第五种自然力，它只在不同种类的暗物质粒子之间起作用。这种力需要有自己的载体，被称为“暗光子”，这听起来真的很具史诗感。今年，一个物理学家团队揭示了这些暗光子可能的工作原理，更重要的是，揭示了我们如何才有可能探测到它们。任何理论上的进步都对我们有极大的帮助，因为我们需要一切可以得到的帮助去探索暗物质。

9. （更）暗的物质

这张合成图显示了合并星系团阿贝尔520核心中暗物质、星系和热气体的分布情况，该星系团是由大质量星系团剧烈碰撞形成的。图像中心的蓝绿混合色显示，在大部分热气体附近存在一组组暗物质团块，在那里很少发现星系。(图源：航空航天局/航天局/加法夏望远镜/钱德拉X射线天文台/M·詹姆斯·吉（加州大学戴维斯分校）/安迪什·马赫达维（旧金山州立大学））

暗物质的世界可能会变得更加奇特。一种粒子不能满足？一种新的自然力还不够？那么，一张完整的暗物质周期表呢？不同“种类”的暗物质粒子在它们自己精心设计的不可见舞蹈中相互作用？这就引出了一个深层次的假想，即暗物质粒子在星系中心聚集在一起构成“暗原子”。根据今年的新研究，这些暗原子可以持续影响其宿主星系中恒星的生成率——这是一种潜在的可观测效应。

10. 泡泡宇宙狂热

哈勃望远镜在太空中发现了一个巨大气体泡泡。（图源：航空航天局戈达德太空飞行中心）

早期的宇宙很清楚如何开派对。在大爆炸后的第一秒钟内，自然界的各种力量就从统一状态中分裂出来，创造了我们今天所熟悉并热爱的宇宙。这些“分裂”剧烈又具有很高能量，而且不是在整个宇宙中同时发生的。随着每种力量的分裂，新的现实气泡形成、膨胀并相互碰撞。今年，物理学家发现，碰撞中的气泡将成为极好的粒子加速器，它们被称为“泡泡粒子（加速器）”，也许正是它们创造了我们熟悉的大多数粒子。

11. 太阳跑路

太阳照片。（图源：航空航天局/太阳动力学天文台）

太阳是离我们最近的恒星，因此也是我们最近的恒星物理学实验室。今年，天文学家利用位于墨西哥的高海拔水切伦科夫天文台发现，我们恒星具有的能量比我们之前想象的要高得多。太阳完全有能力产生过量的伽马射线，这是能量最高的辐射形式。虽然这种辐射不会对我们造成直接伤害，但它确实表明，在太阳身上还有很多需要我们进一步了解的地方。

BY:Paul Sutter

FY: 雨上萧

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