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暗物质到底是什么?

2016-02-24 劳拉·达塔罗 赛先生 赛先生

撰文 劳拉·达塔罗(Laura Dattaro)

翻译 寒冬

审校 丁家琦


天文学家第一次使用“暗物质”这个词是20世纪30年代,如今差不多一个世纪过去了,这种难以捉摸的物质依然没有得到解释。物理学家可以测量出星系及其他天体被暗物质影响后的运动,但是暗物质的组成依然是个谜。


为了解决这个难题,物理学家已经想出了很多种可能性,包括对应的探测方法。其中有一些是在尝试解决其他物理问题时产生的,另外一些则来自于对暗物质的专门研究。


“谁都不知道哪个实验最终能解决它,”纽约大学的物理教授尼尔·魏纳(Neal Weiner)说,“而且如果你不去思考如何正确地做实验,就找不到它。它不会就那么撞到你脸上,不然它的名字就不叫‘暗物质’了。”


弱相互作用大质量粒子


大质量相互作用粒子的质量可能是质子质量的1至1000倍,而且它们之间只存在弱相互作用(与放射性衰变有关的一种力)。


如果把暗物质比作娱乐明星,那弱相互作用大质量粒子就是碧昂丝(Beyoncé,美国著名歌手)。“弱相互作用大质量粒子是很有希望的暗物质候选者。”加利福尼亚大学欧文分校物理与天文系的教授马诺·凯普林赫 (Manoj Kaplinghat)说。


但最近新的实验数据却使人们对它们的存在产生了怀疑。虽然科学家在太空和地球(包括大型强子对撞机)做了各种实验来寻找它们,但弱相互作用大质量粒子至今仍未露面,进一步缩小了我们对它们的质量、相互作用强度及其他性质的可搜寻区间。


如果弱相互作用大质量粒子终究没有出现,我们就只能期待新的解决方案出现来解决暗物质之谜——同时把它从候选名单上排除出去。


“如果我们找不到它,就意味着统治物理学界很久的一个章节结束了。”普林斯顿大学的理论粒子物理学家马里昂吉拉·丽桑提(Mariangela Lisanti)说。


惰性中微子


中微子是几乎没有质量的粒子,它可以在不同类型之间转变,穿过整个行星而不撞到任何东西。中微子已经够古怪了,但它们还有更古怪的对应粒子——惰性中微子。


这种难以捉摸的粒子对周围的环境如此无动于衷,以至于要想等到这样一个粒子与其他物质发生相互作用,需要花费与整个宇宙年龄长度相当的时间。


如果惰性中微子就是暗物质的成分,那么这种惰性对于想要探测它们的物理学家简直就是难上加难。不过探测到它们的可能性依然存在:它们可能会衰变成容易探测的粒子——光子。


“光子是我们非常擅长探测的粒子。”加利福尼亚大学圣克鲁兹分校的物理学教授迪斯蒂法诺·普罗富莫(Stefano Profumo)说。


去年,物理学家利用空间望远镜发现了一个稳定的信号,其能量与理论预言的来自星系团中心的惰性中微子流相符。但是信号或许也有其他的源头,比如钾离子(普罗富莫在一篇标题略带挑衅性的文章《暗物质探索陷入疯狂》中提出了这个观点)。一个新的日本望远镜ASTRO-H有更高的能量分辨率,或许可以结束这场争论。


中性微子


弱相互作用大质量粒子中最有希望的中性微子(neutralino),出自超对称理论。超对称假设每种已知的粒子都存在对应的“超”粒子,以此填补标准模型中的漏洞,但这些粒子都极难观测。


其中一些,比如光子和Z玻色子的对应粒子,拥有类似暗物质的性质。暗物质或许是这些超对称粒子的混合物,而最容易观测的就是中性微子。


发现中性微子将能解决两个重大的物理难题:可以告诉我们暗物质的组成,以及证明超对称的存在。但同时也留下另一个难题:为什么其他的超对称粒子没有出现呢?


“如果暗物质就是中性微子,就说明有一个崭新的世界等着我们去探索,”丽桑提说,“这打开了一扇大门,通向奇妙、激动人心的世界。”


非对称暗物质


在宇宙形成之初,正物质与反物质猛烈地碰撞,每次碰撞都伴随着湮灭,直到最后只剩下了正物质。但粒子物理的标准模型没能解释这一现象,根据标准模型,应当是相同数量的反物质与正物质不断湮灭,最后只剩下空荡荡的宇宙。


显然,实际情况并不是这样,而物理学家至今还没搞清楚原因。同样的原理或许也适用于暗物质:在一个标准的中性微子理论中,反暗物质被它们的对应物暗物质彻底消除,只剩下我们今天看到的暗物质。发现非对称暗物质不仅可以回答暗物质是什么,也能回答为什么我们今天可以在这寻找它。


轴子


搜寻弱相互作用大质量粒子正面对挑战,与此同时,另一种名为“轴子”(axion)的粒子正让科学家兴奋起来。


轴子并不是新提出的粒子。20世纪80年代早期,就在海伦·奎因( Helen Quinn)和罗伯托·皮塞(Roberto Peccei)发表了一篇里程碑式的论文解决了一个关于强相互作用的问题之后不久,物理学家第一次设想了它的存在。几十年来,它一直被当作有希望的暗物质候选者,但实验人员直到现在依然没有发现它们的踪影。


“我们最近的实验进展到了能够探测轴子最有趣的参数空间的阶段。”卡弗里粒子天体物理和宇宙学研究所(由斯坦福大学和 SLAC 国家加速器实验室联合建立)的教授里萨·韦克斯勒(Risa Wechsler)说。


华盛顿大学的轴子暗物质实验(ADMX)试图使用强磁场把轴子转化为能够探测的光子来探测它们的存在。与此同时,理论物理学家已经开始设想新的轴子类别,以及探测它们的新奇方法。


“轴子理论正在复兴,或许实验会带给人们更多振奋的消息。”加利福尼亚大学欧文分校的理论物理学家乔纳森·冯(Jonathan Feng)说。


镜像世界中的暗物质


正如爱丽丝镜子里的奇异物品和生物一样,或许也存在一个完全孤立的世界,拥有不同于我们世界的基本粒子,而暗物质就在其中。这些“暗质子”“暗中子”除了通过引力几乎不与我们发生相互作用,所以几乎毫无痕迹。“我们知道暗物质存在的唯一途径就是通过引力,”冯说,“这让它们看起来十分优美。”


虽然它很美,但是理论物理学家对于探测到它们几乎不抱希望。不过有一些线索表明暗物质光子或许能转变为正常的光子,就像是中微子在不同的味之间振荡,这激发了一些研究来理解和探索这些神秘的粒子。


额外维度的暗物质


如果暗物质不是完全存在于另一个世界,它或许就在实验没有探测到的第四维度中。这样的维度对我们来说过于微小,使得研究人员很难探测到其中的粒子运动。不过根据20世纪20年代特奥多尔·卡鲁扎(Theodor Kaluza)和奥斯卡·克莱因( Oskar Klein)提出的观点,我们会看到电荷相同、质量不同的多种粒子,而最近的一种观点认为,其中的一种粒子可能就是暗物质粒子,称为“卡鲁扎-克莱因”暗物质。它们不会发出或反射光线,这就解释了为什么我们三维世界看不到它们。


如果能够确认它们的存在,这也将被视为对弦论(需要额外维度存在才能成立的理论)的支持。


“你可以探索额外维度世界并绘制地图,就像500年前人们绘制出新大陆的地图一样。”冯说。


强相互作用大质量粒子


虽然物理学家从来没有探测到暗物质,但他们通过观察星系可以清楚地知道有多少暗物质存在。然而,对于星系内部区域的观察并不符合对暗物质的模拟计算,这仍是困扰物理学家和天文学家的谜题。


往常的模拟一般假设暗物质不与自身发生相互作用,但我们没有理由相信现实必须是这样。这一想法导致了“强相互作用大质量粒子”这一概念的诞生——于是暗物质候选者大家庭又增添了一员。冯说,包含弱相互作用大质量粒子的模拟似乎消除了其他模拟的偏差,但是相较于惰性中微子,它还能解释星系团中的奇异光子信号。


复合暗物质


暗物质或许不是这些候选者中的任何一个——也或许包含不止一个。


“没有证据表明暗物质仅由一种粒子构成,”凯普林赫说,“我们只是为了简洁才这样假设。”


毕竟普通的物质就是由多种多样的粒子构成,每种粒子都有独特的性质和行为,而且相互之间有无数的组合方法。为什么暗物质不能这样呢?


暗物质也可以有自己的夸克和胶子,它们之间发生相互作用构成暗物质重子以及其他粒子。所以也有可能存在由多种粒子构成的暗物质原子。


不管哪种情况,暗物质问题很可能会需要几十年才能解决,研究它可以促使物理学家更深入地探索宇宙,解决旧的难题,同时也会发现新的秘密。


原文链接:

http://www.symmetrymagazine.org/article/what-could-dark-matter-be




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