受《冰雪奇緣》電影啟發,物理學家認為可利用「過冷水」檢測暗物質

受《冰雪奇緣》電影啟發,物理學家認為可利用「過冷水」檢測暗物質
也許你有看過這種實驗影片:把一瓶水從冰箱裡拿出來,接著用力一晃竟然神奇的瞬間結冰。那不是魔術,而是「過冷水」。物理學家 Matthew M. Szydagis 在看了這些實驗影片、以及迪士尼電影《冰雪奇緣》後,從中想出過冷水的新特性:也許某些未知的暗物質粒子可與過冷水相互作用。

大部分人都知道水在 0℃ 時會結凍,但實際上沒有那麼簡單,如果嚴格控制某些條件,則液態水溫度可以低於攝氏零度(冰點)但不結冰,此時的水就稱為過冷水(supercooled water),為一種自然物理現象。通常,這種水為乾淨到不含塵埃雜質的純水,且裝水的容器乾淨平滑,缺少冰晶可依附的晶核。

所謂結冰其實是結晶過程,如果原本水中已存在結晶核,則低於標準熔點(對水而言稱為冰點)的水分子就會在核周圍形成結晶結構,依附在冰晶上,也就是結冰現象。但是有些水太潔淨,不含塵埃和雜質,容器也平滑無劃痕,水分子缺少晶核依附而無法結晶,於是即使溫度低於冰點(標準壓力下 0℃),水仍然會維持在液體狀態。

不過只要過冷水一受到某種形式的干擾,比如搖動、壓力改變、遇見結晶核等,就會瞬間凝結成冰,真實情景你可以從下方的實驗影片簡單瞧瞧。

▲ 影片 2:00 處,實驗人員把水從冰箱中拿出來,2:24 處,把水瓶用力一晃,水瞬間由上往下結冰。

現在,紐約州立大學奧爾巴尼分校物理系助理教授 Matthew M. Szydagis 團隊在顯微鏡觀察下證明,某些粒子在與過冷水水分子碰撞時,也可能引發過冷水凍結,這其中或許就包括難以捉摸的暗物質粒子。

在團隊實驗中,研究人員將水冷卻至 -20°C,接著用不同類型的粒子碰撞水分子,發現有一些粒子(比如中子)可觸發過冷水結凍,其他形式則不會(比如伽馬射線)。

這表明,也許未來,我們可以開發基於過冷水的新型暗物質探測器,科學家認為暗物質其實一直漂浮在我們身邊,但它們幾乎不與正常物質相互作用,以至於科學家找不到它們。如果一些假設的暗物質粒子如:微中子(已探測到)、大質量弱交互作用粒子(還是假想粒子)等碰巧會與過冷水分子相互作用、引起自發凍結,在排除其他形式的干擾下,或許就會是證實暗物質粒子存在的方法之一。

該團隊在 2019 年美國物理學會的會議上發表這項研究。
‘Snowball chamber’ helps researchers use supercooled water to search for dark matter “Snowball chamber" would detect dark matter using supercooled water Disney Movie ‘Frozen’ Inspires Discovery Of New Property Of Supercooled Water
(首圖來源:pixabay)
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