核聚变反应堆可能会产生暗物质粒子

在哥伦比亚广播公司的情景喜剧《生活大爆炸》中，角色谢尔顿·库珀和莱纳德·霍夫斯塔特在第五季的三集里都在钻研同一个想法。尽管他们付出了努力，但在剧中这个问题仍未得到解决。如今，加州大学物理学教授朱尔·祖潘及其来自费米国家实验室、麻省理工学院和以色列理工学院的合著者们报告了一个可能的解决方案。他们的研究成果发表在《高能物理期刊》上的一项新研究中。轴子为何对暗物质研究至关重要：轴子是理论上的亚原子粒子，科学家认为它有助于解释暗物质。暗物质备受关注，因为它在近140亿年前大爆炸后塑造宇宙的过程中扮演着重要角色。尽管从未直接探测到暗物质，但物理学家认为它构成了宇宙中大部分的物质。包括恒星、行星和人类在内的普通物质仅占一小部分。暗物质之所以得名，是因为它不吸收也不反射光。它的存在是通过引力推断出来的。星系及其内部恒星的异常运动表明，大量看不见的物质正在施加引力。一个主要观点是，暗物质由被称为轴子的极轻粒子组成。聚变反应堆作为新粒子的来源：在他们的研究中，祖潘及其同事研究了一种聚变反应堆设计，该反应堆在衬锂容器内使用氘和氚燃料。这种类型的反应堆正由法国南部的一个国际合作项目开发。这样的反应堆除了产生能量外，还会产生大量中子。研究人员表示，这些中子也可能导致与暗物质领域相关的粒子产生。“中子与墙壁材料相互作用。由此产生的核反应随后可以创造新的粒子，”他说。另一种可能的产生途径是当中子与其他粒子碰撞并减速时发生的。这个过程会以一种被称为轫致辐射（即“制动辐射”）的现象释放能量。通过这些机制，理论上反应堆可以产生轴子或类轴子粒子。祖潘指出，这正是电视上的虚构物理学家们未能做到的地方。《生活大爆炸》彩蛋解析：《生活大爆炸》于2007年至2019年播出，赢得了七项艾美奖，据尼尔森数据，它仍是流媒体平台上观看次数最多的节目之一。“我们论文中的大致想法多年前在《生活大爆炸》中讨论过，但谢尔顿和莱纳德没能成功解决，”祖潘说。在一集中，一块白板上展示了一个方程和图表，祖潘说这代表了轴子在太阳中的产生方式。在后来的一集中，另一块白板上出现了一个不同的方程。在计算结果下方，用不同颜色的马克笔画了一个清晰的悲伤表情——这是失败的视觉标志。祖潘解释说，这个方程比较了从聚变反应堆和太阳中探测到轴子的可能性，而这种比较并不乐观。“太阳是一个产生大量能量的巨大天体。太阳产生并流向地球的新粒子的可能性，比在使用与太阳相同过程的聚变反应堆中产生这些粒子的可能性要大。然而，人们仍然可以在反应堆中使用另一组不同的过程来产生它们，”他说。该剧从未明确提到轴子，也没有解释这些白板。这些细节是科学家们的内部笑话，符合这部剧的特点——它擅长将薛定谔的猫、多普勒效应等概念融入剧情，还有诺贝尔奖得主和《星际迷航》演员的客串。“这就是作为科学家观看它的美妙之处，”祖潘说，“这些笑话有很多层次。”