暗物质及其研究概况（3）
胡经国
五、主要成份
1、成分测量
⑴、寿命长、温度低、无碰撞
长久以来，最被看好的暗物质，仅仅是假说中的“基本暗性粒子”。它具有寿命长、温度低、无碰撞的特殊特性。
⑵、温度低
温度低意味着在“脱耦”时它们是“非相对论性粒子”，只有这样它们才能在引力作用下“迅速成团”。
⑶、寿命长
寿命长意味着它的寿命必须与现今宇宙年龄相当，甚至更长。
⑷、成团过程
由于“成团过程”发生在比“哈勃视界”（宇宙年龄与光速的乘积）小的范围内，而且这一视界相对宇宙而言非常的小，因而最先形成的“暗物质团块”或者“暗物质晕”比银河系的尺度要小得多，质量也要小得多。随着宇宙的膨胀和哈勃视界的增大，这些最先形成的“小暗物质晕”会合并形成较大尺度的结构，而这些较大尺度的结构之后又会合并形成更大尺度的结构。其结果就是形成“不同体积和质量的结构体系”，这在定性上是与观测相一致的。
相反的，对于“相对论性粒子”，例如中微子，在物质引力成团的时期，由于其运动速度过快而无法形成我们观测到的结构，因而中微子对暗物质质量密度的贡献是可以忽略的。在太阳中微子实验中，对中微子质量的测量结果也支持了这一点。
⑸、无碰撞
无碰撞指的是暗物质粒子（与暗物质和普通物质）的“相互作用截面”在暗物质晕中，小得可以忽略不计。这些粒子仅仅依靠引力来束缚住对方；并且在暗物质晕中，以一个较宽的轨道偏心律谱，无阻碍地作轨道运动。
⑹、当前的暗物质理论
研究人员使用美国宇航局费米伽马射线太空望远镜，对伽玛射线“光束”进行探测，试图确定暗物质是否会产生神秘的“光束”。
当前的暗物质理论认为，暗物质可能是一类被称为“大质量弱相互作用的粒子”（WIMP）；暗物质粒子质量可能比普通的粒子更大，而且不参与电磁力作用，运动的速度较为缓慢。“大质量、弱相互作用的粒子”被认为拥有自身的“反粒子”；如果两个WIMP粒子碰撞，就会发生湮灭，并且发出伽玛光子。这就解释了在银河系中央暗物质集聚区为什么发现神秘的伽玛射线“光束”。美国宇航局的费米空望远镜已经观测到了这个现象。
2、两种观点
⑴、 三种暗物质候选者
英国天文学家里斯认为，可能有三种暗物质候选者：
第一种就是上面所述的小质量恒星或大行星；
第二种是很早以前由超大质量恒星坍缩而形成的200万倍太阳质量左右的大质量黑洞；
第三种是奇异粒子，如质量可能为20～49电子伏并且与电子有联系的中微子，质量为105电子伏的轴子，或科学家所赞成的各种大统一理论所允许和需求的粒子。
欧洲核子研究中心的粒子物理学家伊里斯认为，在星系晕及星系团中，最佳的暗物质候选者是“超对称理论所要求的S粒子”。这种理论认为：每个已知粒子的基本粒子（如光子）必定存在着与其配对的粒子（如具有一定质量的光微子）。
⑵、四种最佳暗物质候选者
伊里斯推荐了以下四种最佳暗物质候选者：光微子、希格斯微子、中微子和引力粒子。科学家还认为，这些粒子也是星系团之间广大宇宙空间中的“冷暗物质”候选者。跟普通物质一样，暗物质具有引力作用；几十亿颗恒星正是在它们的“帮助”下聚集到星系里。但是，这种物质很难与普通物质发生“互动”，人们看不到它。
3、常见粒子
⑴、中微子
“中微子”是唯一一种曾经在实验室里发现的暗物质粒子。但是，它们几乎是零质量，而且在暗物质的宇宙能量部分里仅占很小比例。
⑵、 弱相互作用大质量粒子
天体物理学家认为，剩下的很大一部分是由“弱相互作用大质量粒子”（WIMP）构成；这种粒子的能量大约比质子多10～1000倍。如果两个暗物质粒子碰撞在一起，它们就会彼此”摧毁“对方，产生伽马射线。
⑶、重子物质的暗物质
一些星体演化到一定阶段，温度降得很低，已经不能再输出任何可以观测的电磁信号，不可能被直接观测到。这样的星体就会表现为暗物质。这类暗物质可以称为“重子物质的暗物质”。
⑷、非重子物质的暗物质
还有另一类暗物质，它的构成的成分是一些带中性的、有静止质量的稳定粒子。这类粒子组成的星体或星际物质，不会放出或吸收电磁信号。这类暗物质可以称为非重子物质的暗物质。
4、低温无碰撞暗物质
“低温无碰撞暗物质”（CCDM）被“看好”，有以下几方面的原因。
第一，CCDM的结构形成，数值模拟结果与观测相一致。
第二，作为一个特殊的亚类，“弱相互作用大质量粒子”（WIMP）可以很好地解释其在宇宙中的丰度。如果粒子之间相互作用很弱，那么在宇宙最初的万亿分之一秒，它们是处于“热平衡的”。之后，由于“湮灭”它们开始脱离平衡。根据其“相互作用截面”估计，这些物质的能量密度大约占了宇宙总能量密度的20～30%。这与观测相符。
第三，在一些理论模型中预言了以下一些非常有吸引力的候选粒子。
5、中性子
其中，一个候选者就是中性子（Neutralino），是一种在“超对称模型”中提出的粒子。
“超对称理论”是超引力和超弦理论的基础，它要求每一个已知的“费米子”都要有一个伴随的“玻色子”（尚未观测到）；同时每一个玻色子也要有一个伴随的费米子。如果“超对称”依然保持到今天，伴随粒子将都具有相同质量。但是，由于在宇宙的早期“超对称”出现了自发的“破缺”，于是今天伴随粒子的质量也出现了“变化”。而且，大部分“超对称”伴随粒子是“不稳定的”，在超对称出现破缺之后不久就发生了“衰变”。但是，有一种“最轻的伴随粒子”（质量在100GeV的数量级），由于其自身的对称性避免了衰变的发生。在最简单模型中，这些粒子是呈“电中性”而且“弱相互作用”的——是WIMP的理想候选者。如果暗物质是由“中性子”组成的，那么当地球穿过太阳附近的暗物质时，地下的探测器就能探测到这些粒子。另外有一点必须注意，这一探测并不能说明暗物质主要就是由“弱相互作用大质量粒子”（WIMP）构成的。实验还无法确定WIMP究竟是占了暗物质的大部分还是仅仅只占一小部分。
6、轴子
⑴、轴子及其观测
另一个候选者是“轴子”（Axion），是一种非常轻的中性粒子（其质量在1μeV的数量级上）。它在“大统一理论”中起了重要的作用。轴子之间通过极微小的力相互作用，由此它无法处于热平衡状态，因此不能很好地解释它在宇宙中的丰度。在宇宙中，轴子处于“低温玻色子凝聚状态”，已经建造了轴子探测器，探测工作也正在进行。
⑵、晕族大质量致密天体
虽然人们已经对暗物质进行了许多天文观测，其组成成份至今（2011年）仍未能全然了解。“早期暗物质的理论”重在一些隐藏起来的一般物质星体，例如：黑洞、中子星、衰老的白矮星、褐矮星等。这些星体一般归类为“晕族大质量致密天体”（MAssive Compact Halo Objects，缩写为：MACHOs）。然而，多年来的天文观测无法找到足够量的MACHOs。
⑶、渺中子
“渺中子”湮灭产生“次级粒子”。当两个渺中子发生碰撞时，就会产生夸克、轻子和玻色子，它们又会通过低能光子、γ射线和衰变过程，产生正电子、电子、中微子、反质子和质子。
⑷、重子物质与非重子暗物质
一般认为，难以探测的重子物质（如MACHOs以及一些气体）确实贡献了部分暗物质；但是证据指出，这类的物质只占了其中一小部分；而其余的部分则称为“非重子暗物质”。此外，星系转速曲线、重力透镜、宇宙结构形成、重子在星系团中的比例以及星系团丰度（结合独立得到的重子密度证据）等观测数据也指出，宇宙中85～90%的质量不参与电磁作用。这类“非重子暗物质”一般猜测是由一种或多种不同于一般物质（电子、质子、中子、中微子等）的基本粒子所构成。
⑸、大质量弱相互作用粒子
在众多可能是组成“暗物质”的成分中，最热门的要属一种被称为大质量弱相互作用粒子（Weakly Interacting Massive Particle，WIMP）的新粒子。这种粒子与普通物质的作用非常微弱，以致于他们虽然存在于我们周围，却从来没有被探测到过。
⑹、轴子及惰性中微子
还有一种被理论物理学家提出来解决“强相互作用中CP问题”，被称为“轴子”的新粒子，也很有可能是暗物质的成分之一。
惰性中微子（Sterile Neutrino）也有可能是组成暗物质的一种成分。
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