重子物质：熟悉的陌生人
Sabine Hossenfelder、Naomi Lubick　文　Shea　编译
	如果暗物质是乔妆改扮的普通物质，又会怎么样？ 它们是物质，但不是我们所知的物质。2015年7月，一个不速之客出现在了位于瑞士日内瓦附近欧洲核子研究中心的大型强子对撞机中。名曰五夸克，这种奇特的粒子代表了一种全新的方式来构建物质基本组成要件。虽然它早就为理论所预言，但此前一直没有发现其存在的确凿证据。 这件事情对于格伦·斯塔克曼（Glenn Starkman）来说绝对是一个天大的好消息。作为美国凯斯西储大学的一名理论物理学家，斯塔克曼正在思量一个大胆的想法：宇宙中还存在着更为奇特的普通物质形式有待被发现。从挖掘封存在引力波探测器中的数据，到搜寻古老的矿物，再到去月球上放置月震仪，他大胆建议通过各种手段来寻找这些另类物质的蛛丝马迹。他甚至认为，这些有着特殊构成的普通物质可以解决我们这个时代最大的宇宙谜团之一——暗物质。 从很久以前开始，当物理学家在面对难题的时候，常常会“发明”出超出当时已知的粒子来作为问题的解答。诺贝尔奖获得者沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）正是这一做法的始作俑者之一。他在1930年提出，在某些实验中缺失的能量是被一种逃逸出去且难以捉摸的粒子带走了。泡利自己对这一发明并不满意。“我做了一件可怕的事情，”他说，“我假定了一种无法被探测到的粒子。”他其实大可不必担心——到1956年的时候，我们就已经发现了这种粒子，现在被称为中微子。 从那时起，物理学家们便一直忙于发明各种各样的粒子，并在这个过程中他们建立起了标准模型——对粒子及其相互作用的最完整描述。2012年发现希格斯玻色子给予了标准模型至高无上的荣耀，这一玻色子可以解释为什么粒子具有质量。 但标准模型也令物理学家感到不悦。它的数学结构显得有点零碎，仍包含有很多的空白，尤其是不能解释暗物质。暗物质占据了宇宙中物质成分的85%，但它们既不吸收也不发出光线，与其他的物质只有极其微弱的相互作用。 面对这一谜题，物理学家们遵循传统，发明设计出了暗物质各式各样的候选体，从质量较小的弱相互作用大质量粒子到会衰变的超重暗物质粒子。但至今无一被确认发现。超对称性预言所有已知的粒子都有一个质量更大的超伙伴粒子，到目前也一无所获。 沿着这条路你会发现，在某个地方发明新粒子这一万金油似乎也失效了。这使得斯塔克曼得出了一个具有挑衅性的结论。“你看，标准模型在实验上是成功的，”他说，“因此，我们需要克服的事实上仅仅是关于它的哲学和美学问题。”与不断地发明粒子不同，斯塔克曼认为，我们需要更加审慎地看待已经知道的事物。也许已有的粒子就能解决这些问题。 要形成我们周遭的物质，基本粒子必须要以一定的配置聚集到一起。例如，3个夸克结合在一起便形成了重子。构成原子核的质子和中子都由3个夸克组成：质子含有2个上夸克和1个下夸克；中子含有1个上夸克和2个下夸克。上、下夸克是6种夸克中质量最轻的。我们还知道一种夸克和反夸克的短命组合，被称为介子。 不过，夸克本身就很古怪。由于把它们束缚在一起的强核力所具有的特殊属性，它们无法自由地出现。当夸克之间的距离较小时，强核力较弱。但当这个距离增大时，这个力就会变强，把夸克拉回到一起。强核力的另一个奇特性质在于它在高能量下会变弱，例如在大型强子对撞机中粒子碰撞时。物理学家可以计算出在这些高能量下夸克是如何互动作用的，但低能量下把夸克束缚在一起强核力会变强。其结果是，物理学家仍然很难解释夸克是如何构成介子和重子的，因为这一过程发生在较低的能量下。 这一不确定性使得有科学家提出物质可能还存在其他的组成形式。早在上世纪80年代，美国普林斯顿大学的数学物理学家爱德华·威滕（Edward Witten）就提出，以不寻常的方式，轻夸克可以结合成较重的夸克，例如奇异夸克。 不同于普通物质，夸克的这些组合不会形成原子核。相反，它们会发育壮大，在一个狭小的空间中越聚越多。威滕称它们为“夸克金块”。此后，英国伦敦大学学院的理论物理学家布莱恩·林恩（Bryan Lynn）和其他人将其推广，提出了“奇异重子物质”和“手性滴”的概念。 不会像我们在普通物质中原子核里所见的那样，由这些已知基本粒子所构成的这些奇特团块不会占据硕大的空间。这使得它们致密得像中子星，一茶匙就重如一座大山。因此，即使它们的质量可以非常大，但它们的尺寸也能够很微小。一些科学家将它们称为“宏子”（macro），用来表征它们的质量在千克和吨的宏观水平上，而非用于基本粒子的微观单位。 由于宏子完全由核物质构成，没有任何绕转的电子或空隙，因此无法维持核聚变，也就不能发光。这些团块的高密度也使得它们不太可能与入射的光发生相互作用。总之，宏子身材较小、质量巨大，即便不是完全不可见，也极难被探测到。 [图片说明]：皮埃尔·奥热天文台的一个监测站。 探测宏子 这听起来就像是暗物质的完美解释。但物理学家以前并不看好这个想法，原因有二。首先，如果宏子是质量和太阳、褐矮星或黑洞相当的致密天体，那么要解释暗物质的话它们的数量必须要远远超过可见的恒星。如果是这样的话，宏子会频繁地弯曲从恒星发出并到达地球的光线，这一现象被称为引力透镜。但我们所观测到的光线弯曲事件数目远远达不到这一程度，只能用我们所熟悉的普通物质天体来解释。其次，我们已经知道，如果核物质分布于贯穿整个宇宙的一个薄层中，它们本身会和其他物质发生相互作用，阻碍星系的形成。 不过，当斯塔克曼和他的同事们仔细研究后发现，宏子其实不必这么大，进而降低导致引力透镜的频次，也不必分布得这么薄，进而避免和任何物质发生相互作用。聚集形成中等尺度——既不太大，也不太小——的规模就可以与现有的宇宙学观测相容。 考虑到这一点，斯塔克曼和他的同事已开始寻找这些中型宏子存在的证据。“这几乎是我们应该做的最傻但又绝对是最明显的事情，”斯塔克曼的合作者、南非开普敦大学的戴维·雅各布斯（David Jacobs）说。 他们开始试图搞清楚在其所允许质量的最低端的宏子是否有可能已经留下了一些蛛丝马迹。这意味着重新审视美国加州大学伯克利分校物理学家保罗·比福德·普赖斯（Paul Buford Price）的工作，他早在上世纪80年代便在地壳中搜寻过大质量粒子的迹象。普赖斯认为，较重的弱相互作用粒子会时不时地撞击深埋地下的云母矿物晶格。但他在大英博物馆和史密森学会所收集的样本中并没有发现任何的痕迹。 另一个方案是，20世纪70年代，科学家在天空实验室空间站上安装了聚碳酸酯塑料片，希望能发现有粒子穿过这些塑料所留下的痕迹。具体来说，当时是在寻找低能量的宇宙射线离子。斯塔克曼计算发现，宏子也有可能就混在这些物质中，但对天空实验室塑料片的重新检查并没找到任何与之有关的迹象。 然后是“鹦鹉螺”实验装置，它位于意大利罗马附近，从20世纪90年代开始一直在搜寻引力波。它由一个2吨重的超低温冷却铝制圆柱体组成，探测装置密切监视着它是否存在因有引力波穿过拉伸时空所导致的柱体形变。斯塔克曼、雅各布斯和同在开普敦大学的阿曼达·韦尔特曼（Amanda Weltman）计算发现，若有宏子穿过这个探测器就会和其中的铝发生相互作用，由此释放出的能量会使得柱体被加热并发生非常轻微的形变。但可惜的是，他们并没有发现宏子的迹象。 这些实验的一无所获让斯塔克曼进一步限制了宏子质量所允许的范围，但其允许的范围依然很大，从大约50克到珠穆朗玛峰的质量不等。 现在是时候提出进一步的实验来缩小这一范围的时候了。雅各布斯希望，用于研究鲸鱼或者探测非法核武器试验的水下测音器也许能听到宏子穿过海洋时所引发的振动。他还计划使用宇宙射线探测器的数据。这些探测器被设计来探测当来自外太空的质子或轻原子核撞击上层大气所导致的粒子簇射。如果宏子和地球大气发生相互作用，会产生特有的光信号，但宇宙射线探测器的程序并没有被编写成可以来探测天空中的这些信号。斯塔克曼正试图说服位于阿根廷的皮埃尔·奥热天文台改编它的探测器程序。 最好的办法也需是在距离地球稍有点远的地方：月球。1972年，当最后一批"阿波罗"宇航员离开月球时，他们留下了一个由四个月震仪所组成的网络。在接下去的5年中，这些设备记录下了数千次由陨星撞击、潮汐或者是月壳因温度差异膨胀所造成的月震事件。很显然，虽然比地球上的少得多——因为地球有不断移动的板块和流动的岩浆，但月震也很活跃。这些月震数据有可能会揭示出宏子的存在。 2002年，科学家在地球地震数据中发现了宏子的疑似观信号，但最后却是一场虚惊，原因是地震仪的时钟出现了偏差。现在，斯塔克曼和其他人想利用相对安静的月球环境，以此来探测当一个中等质量的宏子穿过月球时所引发的一系列呈线形排布的月震。 安放在月球上的地震仪相当简陋，但行星地质学家正在计划把更好地仪器送往那里。美国宇航局喷气推进实验室的布鲁斯·本内特（Bruce Banerdt）及其同事已为月球上更灵敏的月震探测网制定了方案，并为将于明年发射的洞察火星任务建造了一台。“我不知道一台地震仪要多灵敏，直到我必须去造一台，”他说。他的火星地震仪非常灵敏，可以精确测定震源的位置，误差大约只有一个氢原子半径那么大，足以发现路经的宏子。 [图片说明]：“阿波罗”宇航员正在月面上放置月震仪。 去这些极端的环境捕捉到来自外太空的宏子是否真的值得呢？由于难以计算它们的行为，因此科学家们仍无法确定宏子是否能大量形成来充当暗物质，也不清楚它们是否能稳定地聚集在一起。 这还不是唯一的问题。“我看不出如何才能把它融入更大的图像中，”美国麻省理工学院的理论物理学家弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）说，“这些东西要如何才能形成？”他还提出，如果宏子真的存在，形成它们所需能量可能会比形成普通核物质所能的更少，这就带来了一个问题：为什么我们周围有这么多的普通物质。 放眼低能标 更重要的是，暗物质的概念并不是偶然提出的。维尔切克补充道：“如果被证明是错误的，那我会很失望。毕竟，它从逻辑上源于我们试图完善基本理论，并且看上去是那么的充满希望。” 在英国诺丁汉大学的宇宙学家安妮·格林（Anne Green）则更加务实。“宏子暗物质也许不及弱相互作用大质量粒子或者其他的暗物质候选粒子那样在理论上有很强的动机，但它也绝非不可能，”她说，“在现有的天体物理和宇宙学数据中寻找宏子的迹象毫无疑问是值得期待的。” 它们的发现肯定会引发巨大的轰动。作为开始，这将意味着，此前物理学家所发明并极力寻找的各种各样的奇异粒子也许根本就不存在。“如果我们是正确的，那么这意味着大型强子对撞机不会探测到暗物质的候选体，”雅各布斯说。 目前还没有人叫停这些搜索工作。但是，与对撞机追求越来越高的粒子撞击能量不同，也许我们应该在能量较低的夸克上寻找答案，以便更好地了解核物质的特性。最终可能会发现，我们熟知并钟爱的普通基本粒子也能够以一些特殊的方式聚集到一起。我们所熟悉的重子物质也能变得很奇特。
[New Scientist 2015年8月22日]

2001-2015 火流星工作组制作


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