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构成暗物质的可能会是什么粒子？存在一个与我们的世界一模一样的“暗世界”吗？ 历史往往有着惊人的重复性。比方说19世纪末，正当物理学家们踌躇满志地认为，物理学大厦已告竣工，以后只能做些修修补补的工作的时候，明朗的天空中飘来两朵乌云：一朵是黑体辐射问题，另一朵是以太问题；这两朵小小的乌云竟在20世纪酿成了相对论和量子力学的革命。 同样的，20世纪末在物理学家们以为大统一理论在望，今后不会有新鲜事的时候，暗物质和暗能量登场了。占宇宙总物质的90%的暗物质竟然长期躲在天文学家眼皮底下不为人知，即便今天也不知它究竟是什么东西。 重量级的“隐士” 暗物质之所以能长期躲过观测，是因为它像隐士一样，几乎不与普通物质发生相互作用。众所周知，天文学家需要借助电磁波（可见光和不可见的红外、紫外、X射线等等）才能观测遥远的宇宙天体。电磁波来自电磁作用。可是我们目前知道暗物质与普通物质只有引力作用，没有电磁作用，所以不能直接觉察到它，只能通过它与普通物质的引力作用间接推知它的存在。 暗物质虽然是长期以来不为人知的“隐士”，但看来在宇宙演化的过程中扮演了重要角色。天文观测表明，星系和星系团全被巨大的暗物质球包裹着，称为“暗物质晕”。天文学家认为，暗物质晕在宇宙早期率先形成，然后才把普通物质吸引进来，所以暗物质相当于搭建“宇宙大厦”的“脚手架”。没有暗物质，我们的宇宙就不可能形成星系、星系团等错综复杂的结构。 但是构成暗物质的是什么粒子呢？ 普通物质，也叫重子物质，它们主要是由质子、中子组成。这种物质能参与自然界中所有已知的4种基本作用力。在基本粒子的大家族中，目前只有一类非常轻的粒子——中微子不参与电磁作用。从性质来看，它们也可称为暗物质粒子。但单靠中微子解释不了暗物质谜团。因为中微子质量太轻，运动速度太快，难以聚集成团，充当宇宙的“脚手架”。应该还有一类迄今未知的，质量很大，运动速度很慢，但又像中微子一样“孤僻”的粒子，它们才是构成暗物质的“主力军”。 暗物质粒子的最佳候选者 甚至在理论上，暗物质粒子也已经超出了目前被广泛接受的粒子物理标准模型。目前差不多只有粒子物理学上一种叫超对称的理论多多少少暗示了它的存在。 我们知道，基本粒子可分成两大类，一类称为玻色子，另一类称为费米子。这两类粒子具有截然不同的性质。简单地说，玻色子喜欢聚集在一起，过集体生活；费米子喜欢孤独，过单身生活。而超对称理论把两者联系了起来，认为每一种费米子，都有一种迄今还未被发现的玻色子与之对应。这种对称可以满足物理学上简单和美的要求。 超对称理论还预言存在一大类“弱相互作用大质量粒子（英文缩写WIMP）”。之所以取这个名字，这些粒子只通过弱核力（一种在放射性原子核或者自由中子衰变过程中起作用的力）发生相互作用。由于跟主宰着日常世界的电磁力完全“绝缘”，这些粒子是根本看不见的，也几乎不与普通物质产生直接的影响。此外，质量大意味着速度慢，可以形成稳定的结构。这些特点使它们成了暗物质粒子的最佳候选者。 不过，这些粒子能否真正解释暗物质，还取决于它们的数量有多少。与其他种类的粒子一样，WIMP粒子也是在宇宙大爆炸的“烈焰”中产生的。这些粒子产生又湮灭，数量很不稳定，但随着宇宙膨胀，温度降低，这些粒子既不再产生，又不再湮灭，数量就固定了下来。根据WIMP粒子预期的质量以及它们相互作用的强度，物理学家很容易计算出会有多少WIMP粒子被保留下来。令人惊讶的是，这样计算出来的WIMP粒子数量不多不少，刚好能够解释今天宇宙中的暗物质。这对物理学家是一个极大的鼓舞。 那么接下来的事情自然就是去寻找了。遗憾的是由于WIMP粒子几乎不与普通物质发生相互作用，你很难找到它们。比如，当你在读这篇文章的时候，已经有数十亿这种粒子穿过你的身体了，但平均需要一年，才有可能一个WIMP粒子被你身上的原子散射后，释放出极其微弱的能量。如今为了捕捉这些信号，物理学家大海捞针般地建起了庞大的粒子探测器；还有人甚至希望在欧洲大型强子对撞机上直接合成出它们。 还有其他候选者吗？ 但WIMP粒子难道是理论上唯一的暗物质候选粒子吗？也并非如此。 事实上，有物理学家已经提出或许还存在一种比WIMP粒子更“孤僻”的粒子，他们称之为“超级WIMP粒子”。WIMP粒子已经够“孤僻”了吧，但它们毕竟跟普通物质还有弱核力，而超级WIMP粒子呢，甚至连弱核力作用也没有，单剩一个引力作用，可以称得上是“超级孤僻”。压根儿不参与弱核力作用，却称之超级“弱相互作用大质量粒子（WIMP）”，这已经很有开玩笑的意味了。好在名称并不重要，关键是一能解决问题，二能找到它们。 按照这种理论设想，宇宙诞生最初1纳秒中产生的WIMP粒子可能是极不稳定的，短则几秒，长则数天内，就会衰变成超级WIMP粒子。两者质量差不多，但今天构成暗物质的正是后者。不论构成暗物质的是WIMP粒子还是超级WIMP粒子，对宇宙的演化都不构成实质上的影响。但在超级WIMP模型里，宇宙演化有个延迟：因为由WIMP粒子衰变而来的超级WIMP粒子，一开始带有很高的动能，只有等它速度慢下来才能聚集成团，适合做形成星系的“脚手架”。 既然超级WIMP粒子超级“孤僻”，那探测起来就更困难了。的确，直接探测已不可能，只能采用间接的办法。一种想法是这样：既然比起WIMP模型，在超级WIMP模型里宇宙演化有个延迟，在这段时间里，暗物质的“脚手架”还没搭好，而宇宙却在一直膨胀着，物质被膨胀所稀释，它们要形成星系就越发困难了，除非暗物质晕的密度更大，引力更强，才能挽回局面。所以，暗物质晕的密度或许能够揭示构成暗物质的是WIMP粒子还是超级WIMP粒子。 此外，WIMP粒子在衰变的过程中，或许会产生光子、电子之类的副产品。我们可以通过它们间接推知超级WIMP粒子的存在。 甚至有人提出，如果构成暗物质的真是超级WIMP粒子，而超级WIMP粒子又是由WIMP粒子衰变来的，那么实在没必要要求WIMP粒子“孤僻”，只要保证超级WIMP粒子“孤僻”就够了。这样一来，说不定WIMP粒子还带电荷，参与电磁作用，它的衰变我们在实验室就能探测到。 存在一个隐秘的“黑暗帝国”？ 假如有个熟人，你几乎天天与他生活在一起，而后来证明竟然是间谍。从那以后你会不会患上多疑症，以为周围潜藏着一张巨大的间谍网，所有人都可能是间谍呢？ ＝ 暗物质的发现也震惊了物理学家。他们自诩明察秋毫，而宇宙中90%的物质就在眼皮底下，竟然被他们忽视了。于是，随着暗物质的发现，他们的“多疑症”也犯了。有人提出，或许除了看得见的世界，还存在一个暗世界，那里有一套它自己的规则：存在一套我们看不见的基本粒子；包含我们看不见的电子、质子和中子，构成我们看不见的原子和分子；然后构建出我们看不见的行星和恒星，甚至进化出我们看不见的人类；当他们观察我们这个世界时，把我们世界里的普通物质称为“暗物质”。 这让人忍俊不禁地想起俄罗斯小说里一段对天堂的描述“我看到一个马夫的影子拿着一把刷子的影子在擦一辆马车的影子。” 遗憾的是，这么“奔放”的猜想恐怕很难成立。首先，我们银河系的银盘是扁平的，如果暗物质的行为在“黑暗帝国”里跟普通物质的行为相似，那包裹银河系的暗物质晕也应该是扁平的，但实际上暗物质晕是球形的。其次，如果存在跟我们世界一模一样的隐秘粒子，那势必就要影响到整个宇宙的膨胀，由此一来又会间接影响到我们这个“明亮世界”里氢和氦元素的合成，因为这两种元素的含量直接跟宇宙膨胀的快慢有关；这样一来，它们的含量理论上就不再是现在这个值了，但目前的值与实际观测符合得很好，从这点倒推回去，也可以把“黑暗帝国”的存在排除掉。 不过，尽管暗物质没有我们想象的那么“生机勃勃”，但它们也许并非像目前人们所设想的那样“死气沉沉”。一些模型预言，伴随暗物质出现的，也许还有一种隐秘的暗作用力，甚至暗物质与当今天文学上的另一个谜团——暗能量有一定的作用……但这些是另一个话题了。 本文源自大科技〈科学之谜〉 杂志文章 欢迎您关注大科技公众号：hdkj1997 |
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