暗域：物质宇宙中的影子世界？
Stuart Clark　文　Shea　编译
	我们也许已经发现了不可触碰的影子世界的线索。 到目前为止，搜寻暗物质的科学家收获的只有遗憾。每当即将要捕捉到到这些占据宇宙物质主导的粒子时，它们都会再一次从科学家的指尖悄然溜走。至今也没有看到预期中的暗物质信号，又或者是眼睁睁地看着曾经一度令人兴奋不已的现象慢慢地消失在探测器的背景噪声中。每一次都如出一辙：勇敢出行，一无所获，重新开始。 也许是时候做出改变了。不同于搜寻某一种的暗物质粒子，我们兴许应该去寻找一系列形形色色的暗粒子和暗力——一个全新的“暗域”。毕竟，相比于我们所知的从电子到夸克的普通物质形式，没有理由认为暗物质只有单一的种类。 这里所说的是一整个的影子世界，其中的粒子之间以我们所无法感知的方式——完全超越了恒星、行星和你我——来相互作用。这听上去就像是一个堂吉诃德式的想法？也许并不是。如果暗力的蛛丝马迹可以在实验室中显现出来，那么这个影子世界就能慢慢地浮出水面。 早在20世纪30年代，天文学家就看到星系团中星系运动的速度要比可见物质的引力所能导致的高得多。40多年来，天文学家发现星系内恒星的运动速度也太快了。要么牛顿和爱因斯坦的引力定律需要大幅修改，要么有一些不可见物质形式提供了额外的引力。绝大多数的天文学家都青睐第2个方案——暗物质。 无论这种物质由什么东西构成，它必须具有质量，因此可以感受并施加引力，但它没有电荷，因此不会与光发生相互作用。这一引力作用还必须非常微弱，科学家们认为暗物质只会与普通物质的某些成分以特定的方法发生微乎其微的相互作用，否则我们也许永远也无法探测到它们了。 几十年来，领先的候选体一直是弱相互作用大质量粒子。但麻烦的是，一系列极其灵敏的探测器始终无法探测到它们的任何迹象。2016年7月，位于美国南达科他州的大型地下氙（LUX）实验结束了为期2年的探测，结果仍旧是一无所获。 [图片说明]：灵敏度极高的大型地下氙（LUX）实验目前还没有探测到任何的弱相互作用大质量粒子。版权：Matt Kapust/Sanford Underground Research Facility。 不过，弱相互作用大质量粒子还没有真正被枪毙。一些天文学家认为，我们已经在围绕银河系的暗弱矮星系中看到了它们的信号（见插页“矮星系的救赎”）。但对于其他人来说，是时候继续前进了。历经数十载的搜寻，却没有任何发现，这自然地会使得科学们开始思考其他的可能性。 矮星系的救赎？ 暗物质也许并像它的名字那样是暗的。如果像绝大多数物理学家所相信的那样，暗物质是由弱相互作用大质量粒子构成的，那么它们自身互为正反物质。当两个弱相互作用大质量粒子发生碰撞时，它们会发出高能的γ射线光子。 2009年，有天文学家认为，他们观测到了来自银河系中心的这一信号。但大多数天文学家现在认为这是一场虚惊。星系中往往会包含有数十亿颗的恒星，这使得排除其他的γ射线源变得几乎不可能。 不过，事情并没有就此结束。在过去的几年中，天文学家发现了一些非常暗弱的矮星系，之所以被称为矮星系是因为它们每一个所含的恒星数目都不到几亿颗。天文学家认为，这些迷你星系拥有密度极高的暗物质，使得它们成为了寻找γ射线的理想场所。如果在矮星系中没有看到这些辐射，那可能永远也看到不到了。 2015年，天文学家发现了一个新的矮星系，被称为网罟II，它到我们的距离只有10万光年。使用美国宇航局费米γ射线空间望远镜的存档数据，有人发现那里似乎存在着γ射线超。 批评者认为，这很有可能是一个隐藏在网罟II后方的γ射线源。但目前很难排除这一可能性，因为没有新的探测设备能用来进行更精确的测量。除非能发现更多的近距矮星系来进行检验，否则确切探测到弱相互作用大质量粒子仍是一个漫长而艰巨的任务。 一直以来，除了弱相互作用大质量粒子之外，对暗物质还有其他各种各样的猜想（见插页“打造暗物质的7条途径”），而眼下则有令人信服的理由来重新思考这些可能性。最初，通过精细测量星系的自转，可以计算出其中暗物质的分布。简单的模型认为，暗物质在星系的中心会非常密集。但是，最新的观测却显示它分布地更加均匀。一个解释是在暗物质粒子之间存在着一种独有的相互作用力，把它们打散了。 这个力的引入可能会改变暗物质的整个格局。一旦你开始思考暗物质粒子之间存在相互作用力，那么你就进入了一个全新的舞台。你可以想想出各式各样的暗物质粒子以及它们自身所拥有的相互作用力。这将是一个全新的世界。 这样的一个暗域其实并不是全新的想法。早在2006年，研究子弹星团——两个正在发生碰撞的星系团——的天文学家提出，若根据仅暗物质和普通物质的引力来计算，无法产生所观测到这么高的碰撞速度。他们推测，暗物质粒子间其他的相互作用力提供了所需的额外引力。 详细的数值模拟证明，子弹星团的碰撞速度并没有超出了预期。但是，对暗力的怀疑却从未就此消失，有科学家提出地球上粒子实验中所出现的异常现象也许暗示了它们的存在。例如，普通物质介子——相当于大质量版的电子——的磁性在理论和实验上存在着长期矛盾，这也许能用一种暗力的承载粒子来解释。现在，一个匈牙利的核物理实验室可能已经发现了这种粒子迄今最令人信服的证据。 打造暗物质的7条途径 弱相互作用大质量粒子 它是对暗物质的教科书解释。在一个由浓密且低速运动的弱相互作用大质量粒子所构成的星系晕下，可以解释星系平坦的旋转曲线，但是目前还没有直接探测到哪怕一个弱相互作用大质量粒子。如果它们确实存在，那么它们一定比我们曾经认为的更轻。 晕族大质量致密天体 这个观点认为，暗物质其实只不过是隐藏在星系边缘处的普通物质——晕族大质量致密天体太过暗弱，因此无法被观测到。其候选体包括黑洞和褐矮星。然而，天文观测表明，晕族大质量致密天体只占宇宙缺失质量的极小部分。 宏子 它可能是由夸克所组成的致密团块，而夸克粒子成对或成三地构成了普通物质。这些“宏子”可以极端致密。不幸的是，能够发现它们的实验，例如在月球上放置月震仪，都太另类而未成行。 轴子 弱相互作用大质量粒子的缩小版，轴子与普通物质间的相互作用更加微弱。只有专门的实验装置，例如轴子暗物质实验，才能对其进行直接探测。 惰性中微子 中微子可以几乎不受阻碍地穿过其他物质，就如同不存在一样。但中微子质量太小，不可能是构成暗物质的成分。惰性中微子是一种质量更大、与普通物质间相互作用也更弱的中微子。在地下探测器中曾经观测到过它们的迹象，但又迅速消失了。天文学家在一些星系团中观测到了可能是由它们所导致的X射线超，但是目前还无法甄别出这些辐射的来源。 引力微子 超对称理论提出引力是由引力子来承载的，而引力微子则是引力子的假想“超伙伴粒子”。它是暗物质粒子非常适合的候选体。但麻烦的是，至今还没有发现任何超对称理论所预言的大质量伙伴粒子。 修改牛顿动力学 通过修改牛顿引力定律，修改牛顿动力学并不需要引入暗物质。这让许多物理学家感到不适。现在有人提出了一种混合模型，在星系内部暗物质起作用，但在更大的宇宙尺度上修改引力发挥效力。 匈牙利科学院核研究所的科学家测量了铍-8的放射性衰变。铍是一种天然的轻元素，当它的核包含有4个质子和5个中子时是稳定的。但若只有4个中子时，同位素铍-8就会瞬间分裂成2氦原子核。先前的实验已经发现这一特定的衰变过程存在一些异常，匈牙利的科学家想要对其进行精确地测量。 为了制造出铍-8，他们使用质子来轰击由锂-7做的薄片。铍-8会衰变，释放出正负电子对。在标准粒子模型中，绝大多数的正负电子对应该会沿着与入射质子束几乎相同的方向射出。但匈牙利科学家却发现有两个意料之外的明显外流，方向与预期的几乎成直角。对此的一种解释是，这一衰变产生了一个慢速运动的粒子，它的寿命很短，之后会衰变成一个电子和正电子，这两者会沿着几乎相反的方向运动。 当该团队计算出这个假想粒子的质量时，他们发现它与标准模型中的任何一种粒子都不相符。相反，计算表明它的质量约为17兆电子伏特，仅为电子质量的33倍，远小于任何的弱相互作用大质量粒子。没有已知的自然力可以创造出这种粒子。 对这一异常进行了3年的研究，该匈牙利科学家团队在2015年发表了他们的结果。他们把这一粒子称为“暗光子”。类似于光子承载了电磁相互作用，这种粒子则承载了暗物质粒子之间的一种未知作用力。 [图片说明]：匈牙利科学院核研究所的实验装置探测到了可能是超出标准模型的新粒子的线索。版权：Attila Krasznahorkay。 从论文的描述来看，匈牙利团队的实验装置应该没有问题。他们也做了很多的交叉检查，但就是无法消除这一现象。现在，他们已经观测到了数百次的事件。这一结果纯属偶然发生的概率只有2千亿分之一。不过，这篇论文并没有引起多大的波澜，当然也有例外。 根据这一结果，有科学家正在寻求自己的解释。但在这之前需要解决一个挥之不去的问题——考虑到发现这一新假想粒子的匈牙利团队所进行的实验位于世界上绝大多数物理实验室能力可及的范围之内，那么为什么此前没有其他人注意到这一异常呢？ 这一假想的暗光子以及它所承载的暗物质粒子之间的暗力，应该也会承载一点点的普通电磁相互作用。因此，它应该偶尔会与普通物质中的质子和电子发生相互作用。但是，当科学家计算出这种相互作用的强度时，问题变得更加严重：它不可能是暗光子。如果是的话，应该会在其他实验和粒子加速去中看到成百上千的其他效应。 如果不是暗光子，那又会是什么呢？科学家们搜寻了暗物质粒子可能与普通物质相互作用进而导致铍衰变异常的其他途径。他们发现，为了以与在实验中测得的已知自然力性质相符，该粒子不能与质子和电子发生相互作用，但可以与铍原子核内的中子相互作用。这超出了已知物理学的范畴，或许可以解释为什么它躲过此前的暗物质搜寻。这一闯入者被称为“疏质子X玻色子”。 并非所有人都相信在可见的物质宇宙之外还存在着一个影子世界。有物理学家就这个实验结果和由此推论出一个新粒子表示了双重怀疑。 不过，至少这个理论是可以用实验来进行检验的。目前有几个实验可以明确地检验疏质子X玻色子是否真的存在。好事是，物理学家现在有了一个具体的目标，而实验则可以确切地来对其进行测试。 事实上，证实或证否匈牙利团队原始结果并且寻找更多疏质子X玻色子案例的竞赛已经开始。位于美国托马斯·杰斐逊国家加速器设施的暗光实验已经在疏质子X玻色子可能的质量范围内开始搜寻。位于瑞士日内瓦附近欧洲核子研究中心大型强子对撞机上的LHCb实验也在夸克及其反粒子的衰变中搜寻它的踪迹。 由于匈牙利团队此前报告的异常在其进一步的实验中似乎消失了，因此一些科学家对此持保留意见。当然，也有人不为所动。毕竟，还没有人能确定这一实验存在弱点，也没有人指出具体的问题出在什么地方。 无论有何疑虑，考虑到目前暗物质毫无头绪的现状，对疏质子X玻色子的搜寻还是值得的。科学家知道有暗物质存在，而它无法用标准模型来解释。对此必须要有一个解释，标准模型也许或早或晚将会被突破，因此实验中的每个异常都值得关注。 当然并非所有人都这么认为。有天体物理学家表示，虽然所有的这些想法都很有趣，但目前还没有充分的理由来抛弃最简单的暗物质图像。一个更复杂的暗域所面临的问题是，很难预言在实验中会观测到什么现象，因而对其进行检验的难度恐怕要远超探测到难以捉摸的弱相互作用大质量粒子。 但话又说回来，仅仅因为一个理论很复杂并不能作为它是错误的依据。在这方面，大自然从来没有让物理学家们和天文学家们轻松过。
[New Scientist 2016年8月27日]

2001-2017 火流星工作组制作


本文遵循“创作共用约定”之“署名-非商业性使用-禁止演绎”3.0约定
任何意见和建议请致电：