缺失的宇宙：暗物质的搜寻 或为全新粒子

我们看不见宇宙中的大部分物质。但是重力效应告诉我们，看不见的物质就在那里。

像大型强子对撞机这样的设备最终能探测到暗物质粒子吗？

新浪科技新闻，北京时间，10月18日据国外媒体报道，我们的宇宙大部分是看不见的，我们只能通过它们对其他物质的引力效应来感知它们的存在。到目前为止，科学家们对这些看不见的物质是什么以及为什么它们在我们的宇宙中占据如此大的一部分知之甚少。

他们将这种物质命名为“暗物质”，它占我们宇宙物质总量的4/5。那么，构成宇宙大部分的神秘物质究竟藏在哪里呢？科学家什么时候能找到它们？当然，要问的第一个问题是，我们是如何首先知道暗物质的存在的？

暗物质的发现

20世纪30年代，瑞士天文学家弗里茨·兹维基首次发现了暗物质。他对星系团质量的计算表明，宇宙中有一些“缺失”的质量。因此，无论其他什么物质构成了宇宙的全部质量，这种物质都不能发光，也不能通过重力以外的其他方式与其他物质相互作用。

20世纪70年代，美国女天文学家薇拉·鲁宾发现星系中恒星的旋转速度不符合牛顿运动定律:她对仙女座星系的观察表明，星系内外边缘的恒星似乎以完全相同的速度围绕着星系核心旋转，而根据正常的牛顿定律，外恒星的旋转速度应该比内恒星慢。显然，在银河系的外缘一定有一个未知的质量，一个我们看不见的质量。

其他证据来自引力透镜效应，它简单地指大质量天体的引力场导致周围天体的光线弯曲的现象。根据爱因斯坦的广义相对论，重力可以弯曲时间和空间，就像当你站在床垫上时，你站的地方会向下凹陷。因此，即使光子本身没有质量，空间本身的弯曲也会导致光的弯曲，因为光沿着空间传播。观察数据显示，一些大型星系团周围的强光弯曲无法用在这个星系团中可以观察到的大量可见物质来解释。换句话说，这些星系团的质量比它们看起来要大得多。

然后是宇宙微波背景辐射，这是大爆炸的余辉。此外，对超新星的观察也得出同样的结论。夏威夷大学的物理学教授杰森·库马尔说:“宇宙微波背景辐射告诉我们的信息很简单，宇宙在空间上基本上是平的。简而言之，平面的意思是，如果你在宇宙中画两条直线，它们永远不会相交，即使这两条直线的直径是几十亿光年。在一个大曲率的宇宙中，这两条线会在空间的某个地方相交。”

然后，研究人员计算了宇宙中应该包含的物质的数量，以确保宇宙是平的，并且能够产生与我们在宇宙中观察到的一样多的“常规物质”(也称为“重子”)。

库马尔说:“我问自己，理论计算是否表明宇宙中应该存在的物质数量与重子数量相匹配？答案是否定的，“这种差异给了宇宙学家和天文学家一个强烈的暗示，宇宙中应该还有大量我们看不见的暗物质。这种物质不发光，不像质子或电子那样导电，所以到目前为止还没有直接检测到暗物质。

库马尔说:“这就像一个谜。”此前，科学家们已经尝试了许多方法来探测暗物质，要么通过观察它们与普通物质的相互作用，要么通过寻找理论上被认为构成暗物质的粒子。库马尔说:“相关实验将逐步完善，取得进展似乎没有明显的困难。”

暗物质会是什么？

以前有许多关于暗物质性质的不同理论。最早的理论非常简单:科学家认为暗物质隐藏在所谓的“光晕质量高密度物体”(MACHOs)中，如中子星、黑洞、棕矮星和流氓行星。它们不发光，或者它们的光度很弱，所以这些天体通常用望远镜观察是看不见的。

然而，对光环中这种高质量、高密度天体的扭曲背景星光效应——所谓的“引力微透镜效应”——的观测结果表明，这种效应不能解释星系周围存在的暗物质的大小，即使它的一小部分也不能解释。美国费米国家实验室助理研究员丹·胡珀说:“晕中的高质量和高密度天体理论现在已经基本被排除了。”

暗物质也不应该是那些难以用望远镜观察到的低温气体云，因为它们不发光。因为尽管气体云不发光，但它吸收来自遥远的背景恒星和星系的光，并在较长的波段发射辐射，所以如果暗物质实际上是气体云，我们应该在红外波段观察到强信号。但事实上我们没有观察到如此强烈的信号，所以这种可能性被排除了。

暗物质可能是什么？

弱相互作用理论是近年来最有希望解释暗物质本质的候选理论之一。弱质子是一种非常大的粒子，其质量值是质子的10~100倍。它们是在大爆炸期间产生的，尽管今天只剩下一小部分。这些粒子将通过重力或弱核力与常规物质相互作用。质量较大的弱作用粒子在空间中运动较慢，因此被称为“冷”暗物质候选粒子。然而，质量较轻的弱等离子体粒子在太空中运动得更快，所以它们被称为“温暖”暗物质候选粒子。

寻找这种粒子的一种方法叫做“直接探测实验”。例如，正在美国南达科他州的一个矿井中进行的“大型地下氙实验”(LUX)，使用大量液态氙来探测这些粒子。如果科学家观察到无法解释的氙核晃动，很有可能它们被弱质子粒子击中了。氙核抖动的幅度使得科学家能够估计出弱等离子体粒子的质量。但到目前为止，LUX实验还没有得到任何结果。

另一种寻找弱等离子体粒子的可能方法是通过加速器装置。在加速器内部，原子核以光速碰撞，在此过程中产生的巨大能量将转化为其他类型的粒子，其中一些粒子科学家以前从未观察到。然而，到目前为止，粒子加速器还没有检测到任何粒子信号，这似乎是类似于弱等离子体粒子的性质。

然而，尽管迄今为止这两种方法似乎都没有取得突破，库马尔指出，相关实验的进展限制了这种理论上可能存在的暗物质粒子的可能大小和质量。勒克斯的灵敏度为200兆电子伏，相当于质子质量的1/5。理论上，它可以观察到质量高达1 TeV的粒子，这已经接近某些类型的夸克。由于LUX设备至今没有观察到任何信号，这意味着理论上存在暗物质粒子的可能性被排除在这个质量(能量)范围之外。

库马尔说，WIMPs粒子可能有非常大的质量。如果是这种情况，这意味着它们的数量不会特别大，所以单个粒子与氙核碰撞的概率将非常低。

理论物理中还有另一个暗物质粒子的候选理论，即所谓的“轴子”。当这些亚原子粒子经历湮灭反应或衰变为其他粒子时，可以通过间接方法检测到，或者通过粒子加速器进行搜索。但是，到目前为止，科学家在寻找这种理论粒子的过程中没有发现任何东西。

陷入困境

随着对大质量、缓慢移动的“冷”候选粒子(如软子或轴子)的探测进展缓慢，一些科学家开始尝试寻找那些更轻、移动更快的粒子，即科学家所说的“热”暗物质粒子。然而，在科学家使用钱德拉塞卡X射线太空望远镜在英仙座星系团中发现了未知粒子的新迹象后，科学界对这种暗物质模型的兴趣重新燃起。英仙座星系团是一个巨大的天体星系团，距离地球约2.5亿光年。该星系团发射特定波长的X射线辐射，但在2014年，科学家检测到不同波长的辐射，这可能对应于一个先前未知的轻质量粒子。

麻省理工学院的物理学家特雷西·斯莱特尔说，如果暗物质粒子的质量很小，科学家将很难实现对它们的直接探测。斯莱特认为暗物质可能由一种全新的粒子组成。他说:“如果暗物质粒子的质量小于1 GeV，将很难用传统的实验方法进行直接探测，因为它的探测原理是观察无法解释的原子核振动信号。然而，如果暗物质粒子的质量远小于受撞击原子核的质量，这种震动信号将非常微弱。”质子，即氢原子的原子核，质量不小于938兆电子伏，所以一个质量只有千电子伏的粒子比质子小1000倍。斯莱特说:“想象一个乒乓球打一个保龄球，你会发现这个保龄球根本不动。原因是一样的。”

斯莱特说，目前学术界有很多讨论。如果目前搜寻暗物质的方法失败了，该怎么办？他们提出了各种初步想法，从利用液氦的超流体性质到半导体技术，再到在晶体中使用化学键。

库马尔说，暗物质如此神秘的一个重要原因是，科学家认为他们至少在某种程度上理解了大爆炸期间的核合成过程，这是宇宙中物质产生的机制。迄今为止，成功预测希格斯玻色子存在的粒子物理标准模型非常成功。因此，除非每个人都犯了一些根本性的错误，否则很难解释为什么这个世界到目前为止还不能探测到暗物质粒子。

例如，如果暗物质粒子与现有模型预测的结果非常不同，那么一种可能性是我们的加速器会发现很难检测到它们的存在。像大型强子对撞机(LHC)这样的设备更擅长寻找具有强核相互作用的物质，因为它们会衰变为其他类型的粒子。如果暗物质粒子具有相似的性质，那么像大型强子对撞机这样的设备也许能找到它的踪迹，但如果没有，情况就完全不同了。(晨风)