探测流星的技术可用于寻找进入大气层的暗物质粒子

俄亥俄州立大学的研究人员基于现有的流星探测技术，提出了一种探测暗物质的新方法。通过使用地面雷达搜索电离轨迹，类似于流星在空中划过时产生的电离轨迹，他们希望将地球大气层用作超大粒子探测器。使用这种技术的实验结果将有助于研究人员缩小暗物质粒子的可能特征范围。

暗物质的存在已被主流物理学家广泛接受。自从开尔文勋爵计算出银河系中所有恒星的质量远小于银河系本身的质量以来，我们就知道宇宙中的大部分物质对我们来说是不可见的。随着技术的进步，我们已经学会了如何探测隐藏在可见光望远镜之外的东西，但我们仍然无法解释所有丢失的物质。我们将这种缺失的物质称为“暗物质”，目前的估计表明，宇宙中85%的质量都是由暗物质构成的。大多数物理学家现在相信暗物质是由一种尚未被发现的粒子构成的。

俄亥俄州立大学的JohnBeacom博士提出了一个实验来确定这种粒子的特性。他想调整用于探测和测量流星划过大气层的雷达技术，用它来寻找可能表明暗物质粒子与空气分子碰撞的类似条纹。该技术使用地面上的雷达站来检测和测量通过高层大气的电离轨迹。

当一颗流星体进入地球大气层时，它冲过空气的速度比空气本身移开的速度还快。这导致流星前面的空气压缩并变得非常热以至于电离——单个空气分子彼此强烈碰撞以至于失去电子。电离空气不仅会发光，而且对无线电波是不透明的。这会导致雷达信号反射回地球，即使在白天也能探测到流星。

哈勃太空望远镜在星团Abell611中提供了由星系和不可见暗物质组成的宇宙蜘蛛网。图片来源：ESA/Hubble、NASA、P.Kelly、M.Postman、J.Richard、S.Allen

理论物理学家已经计算出暗物质粒子可能具有的物理特性。不幸的是，由于我们对这些粒子的大部分了解是它们与正常物质的相互作用很弱(到目前为止，我们只是通过它的引力影响检测到它)，这留下了广泛的可能性。Beacom博士指出，如果暗物质粒子落在更大、更重的可能性范围内，那么它们将更容易与“正常”物质相互作用，尽管这些相互作用仍然很少见。

“暗物质很难被探测到的原因之一可能是因为这些粒子质量太大，”比康姆说。“如果暗物质质量小，那么粒子就常见，但如果质量大，粒子就稀少。”

如果这些粒子很大，那么地面上的传统探测器可能永远看不到它们，因为这些粒子正在被地球大气层吸收。但如果发生这种情况，那么它们应该有足够的能量来产生电离轨迹，类似于我们在流星上看到的。因此，流星探测雷达装置也可以用于搜索暗物质粒子——基本上将整个地球大气层变成一个巨大的粒子探测器。

1884年，开尔文勋爵首次预言了暗物质的存在。他根据银河系的自转速度计算出了银河系的质量，发现它一定比可见恒星的总和要重得多。他的理论是，银河系的大部分质量必须由“暗”物质构成——用当时的望远镜无法看到的东西。然而，大多数科学家认为这意味着会有大量的冷气体、尘埃、系外行星和其他不发光的物体。1906年，法国的一篇论文首次使用“暗物质”一词来描述这些东西。

从那时起，出现了许多其他的证据：FritzZwicky在1930年代注意到后发星系团中的星系移动时，整个星系团的质量似乎是其所有可见成员总质量的400倍。1960年代早期的射电天文学家发现，螺旋星系围绕其边缘旋转的速度太快——它们应该会飞散开来，除非有额外的引力源将它们聚集在一起。不久之后，维拉·鲁宾、肯特·福特和肯·弗里曼有了同样的发现，他们使用新改进的光谱仪测量可见光下星系的旋转曲线。20世纪80年代的一系列深层宇宙学观测发现了宇宙微波背景辐射中的引力透镜效应和各向异性(CMBR)，增加了暗物质存在的证据。

值得注意的是，目前还没有人知道暗物质粒子是否真的会产生这些电离轨迹。使用这种技术建造的探测器可能根本看不到任何东西。但无论是结果，检测还是没有检测，都是一件好事。不管怎样，使用这种检测技术的实验将回答这个问题：“暗物质粒子是大而重且稀有吗?还是小而轻且数量众多?”

该研究发表在arXiv预印本服务器上。