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能让大部分暗物质存留到今天
发布时间:2018-06-04 09:49

  粒子对撞实验也能将动态暗物质与WIMPs粒子区分开来。“动态暗物质产生的谱线非常丰富,其中有些和传统理念中的暗物质区别巨大。”亚利桑那州立大学物理学家苏淑芳解释道。苏淑芳正与迪耶纳斯和托马斯合作,试图预测出动态暗物质会在粒子对撞机收集的数据中留下哪些痕迹。
 
  苏淑芳被“暗物质可能由多种粒子构成”的理论深深吸引,开始研究动态暗物质模型。如果真是这样,大型强子对撞机生成的粒子碎片应当会呈现出一种非常独特的痕迹。“这种变化会非常明显,与只有一种暗物质粒子的情况截然不同。”苏淑芳指出,“如果一种暗物质粒子只产生单峰,动态暗物质便会生成多峰、甚至其它奇异特征。”
 
  此外还有衰变问题。构成动态暗物质的各类粒子寿命不同。有的几乎刚刚诞生便会发生衰变,有的则能维持一段时间、在探测器中穿行一定长度,有的则可完全逃离探测器。“就算衰变后仍为暗物质,也会呈现出全然不同的特征。”苏淑芳表示。
 
  苏淑芳正在思索如何用地球上的对撞机探测动态暗物质,库马尔则在思考该模型是否能解释困扰天文学家的另一难题,即太空中的高能正电子过剩现象。暗物质研究人员提出,这些正电子也许是在WIMPs粒子相撞、湮灭的过程中产生的。库马尔表示,问题在于,这一过程产生的正电子能量存在上限,过了这个分界点之后,便应当会停止产生正电子。但天文学家目前仍未找到这一分界点。而动态暗物质产生的正电子能量水平则可能刚好与天文学家的观测结果相符。
 
  当然,动态暗物质只是WIMPs粒子的众多替代理论之一。此外还有SIMPs粒子(强相互作用大质量粒子)、RAMBOs(大质量重子天体强关联星团)、轴子(axions)、六夸克(sexaquarks)等等。在物理学家明确探测到暗物质之前,理论学家还有很多奇思妙想的空间。
 
  “我们只想说,动态暗物质是一套很有趣的模型,并不是说一定比别的模型好。”迪耶纳斯表示,“这一领域仍有很多可能性,而数据终将告诉我们真相。北京时间6月4日消息,据国外媒体报道,暗物质是塑造宇宙的“看不见的手”。它决定了哪里会形成星系、哪里不会形成星系。暗物质的引力将恒星串成星系,又将星系串成星系团。星系合并时,暗物质也在其中发挥着作用,影响最终的合并结果。但暗物质究竟为何物?目前还无人知晓。
 
  我们对暗物质的了解大概有以下几条。一:暗物质很多,数量约为“普通物质”的五倍;二:它们不会释放、反射或吸收光线,但可产生引力,因此对星系的演化至关重要;三:暗物质很稳定,自宇宙诞生的138亿年来,暗物质始终不曾衰变成其它物质。即便有也可忽略不计。事实上,即使在亿亿万年之后,暗物质仍将长盛不衰,甚至可能永远不变。
 
  理论物理学家对暗物质的研究主要以上述三条原则为基础。但如果第三点关于暗物质稳定性的理论说错了呢?这便是一套名为“动态暗物质”(Dynamical Dark Matter)的新理论背后的理念。该理论最先由亚利桑那大学物理学家凯斯·迪耶纳斯(Keith Dienes)与拉法耶特学院理论学家布鲁克斯·托马斯(Brooks Thomas)共同提出。虽然该理论在暗物质物理界尚处于边缘位置,但越来越多的人开始被这一学说吸引,也开始有粒子物理学家、天体物理学家加入合作研究阵营。
 
  暗物质领域也的确需要一些新想法。虽然一个多世纪以来,天文学家不断在宇宙各处发现暗物质的痕迹,但始终未能找到任何暗物质粒子。原因并不是缺乏尝试。科学家们试过用大型强子对撞机(LHC)等仪器粉碎粒子,在粒子碎片中寻找暗物质的迹象。他们也试过将锗晶体、液氙和液氩埋在地下深处(比山脉和古老的金矿还要深),寻找与原子核发生碰撞的暗物质粒子。结果均一无所获,没有取得任何物理学家一致认同的成果。
 
  与此同时,暗物质的天体物理学证据不断累积。宇宙中有一种神秘现象:物理学家计算了恒星在星系中的旋转速度后,发现星系边缘恒星的公转速度竟然和内部恒星差不多。但根据我们对引力的了解,外围恒星的运动速度应该慢得多才对,除非有某种看不见的力拉着它们前进。另外,星系团中的星系运动极为活跃,按理说应当早已分崩离析,除非有某种看不见的力将它们维系在一起。注意到共同点了吗?宇宙微波背景辐射是帮助我们了解宇宙诞生初期的最有效工具,而就连这其中也有只能用暗物质才能解释的特征。既然暗物质无处不在,为何我们就是找不到它呢?
 
  一些研究人员开始怀疑自己找错了方向。大多数暗物质探测器都是为寻找假想中的WIMPs粒子(即弱相互作用大质量粒子)设计的。WIMPs粒子似乎是很合适的暗物质“候选者”,因为它可以由标准模型之外的超对称理论模型(supersymmetry)自然导出。该理论认为,所有基本亚原子粒子都有一颗尚未被发现的“伴粒子”。
 
  物理学家在研究这些假想粒子的特性时,注意到其中一种粒子极其符合暗物质的假设。它可以通过引力和弱力(只有当粒子间距小于质子直径时才会发生)与其它粒子发生相互作用。另外,该粒子十分稳定,数量也符合宇宙正常演化的需求。
 
  夏威夷大学物理学家杰森·库马尔(Jason Kumar)指出,WIMPs粒子“颇负美感”,拥有物理学家热爱的一切特征:简单,对称,优雅。但库马尔称:“很难将这些理论模型与我们观测到的数据相匹配。”这并不意味着WIMPs模型是错误的,但这的确引发了研究人员对一些十年前可能一笑了之的理论进行反思。“暗物质并不稳定”就是其中之一。
 
  不稳定的影响
 
  迪耶纳斯和托马斯刚刚提出“动态暗物质”理论时,才刚接触暗物质不久。由于刚刚入行,两人刚开始根本没担心过稳定性的问题。他们想共同定义一种新型暗物质。他们首先想到,暗物质会不会不止一种粒子、而是由多种不同粒子构成?其次,这些粒子是否可能衰变?有的可能短短几秒便会消失,有的则可存在数万亿年之久。关键在于,各类粒子的数量要刚好平衡,才能让大部分暗物质存留到今天。
 
  迪耶纳斯和托马斯将这一新理论框架命名为“动态暗物质”,并开始在学术会议上分享这一观点。但按照迪耶纳斯的说法,该理论遭遇了“大量质疑”。
 
  “人们一直在问稳定性的问题。”迪耶纳斯回忆道,“但我们并未按照传统方式思考这一点。”
 
  物理学家又为何如此确定暗物质是稳定的呢?天文学家通过观察数十亿光年外的星系了解到,这些古老星系中的暗物质重量并不亚于年纪轻轻的邻近星系,至少差距没有大到能测量出的程度。此外,假如暗物质衰变为质量更轻、可探测到的粒子,这些粒子便会携带大量能量在宇宙中四处穿行。若真是如此,我们从地球上应当能探测到它们才对。并且,如果暗物质衰变发生在宇宙诞生初期,便会干扰元素的形成,改变宇宙中的化学环境。
 
  “动态暗物质”模型可通过平衡解决稳定性的问题。如果大部分暗物质都以稳定粒子的形式存在,寿命比宇宙还要长,则也许还有少量暗物质属于迅速衰变的粒子。“这是寿命与数量之间的平衡问题,”迪耶纳斯表示,“这样的平衡也许能取代单纯的‘稳定说’,成为暗物质的新基本原则。”
 
  这种解释乍一看似乎有些牵强附会。事情怎么就能这么巧?但迪耶纳斯、托马斯和合作研究人员找到了几种情境,恰好能生成合适的粒子组合。“我们发现,有多种有趣的方式可产生这一结果。”托马斯表示。动态暗物质理论对暗物质粒子的组成和形成方式持“不可知论”态度,“暗物质不是只有一种模型、仅由一种粒子构成。我们的理论提供了一套思考暗物质本质的全新框架。”
 
  除动态暗物质理论外,还有越来越多的“多成分”暗物质模型支持多粒子假说。“动态暗物质理论的关键区别在于,它并不是随机地选择几种粒子,而是设计了一些描述其特性的限制参数。”库马尔解释道。
 
  暗物质会减少?
 
  如今,宇宙中约85%的“物质”由暗物质构成,其质量约为普通物质的五倍。但假如动态暗物质框架正确,暗物质总有一天会彻底消失。这一过程刚开始时非常缓慢,但等到大量暗物质“过期”后,消失速度便会大大加快,终有一日会彻底灭绝。
 
  但这一切要过很久、很久才会发生。一直到宇宙中另一种神秘力量——暗能量将宇宙彻底撕碎、化为虚无之后很长时间,暗物质才会彻底消亡。但有人可能要问:如果宇宙中少了一丁点暗物质,又有谁会在乎呢?
 
  寻找暗物质粒子的科学家们在乎。
 
  这是因为动态暗物质粒子在暗物质探测器中留下的痕迹将比WIMPs粒子更为复杂。如果说WIMPs粒子只是在普通粒子间简单地“跳来跳去”,那么动态暗物质粒子(或其它成分复杂的暗物质)则像是在粒子间“打群架”。“如果只有一种暗物质粒子,便只会形成一种特定的反冲谱‘形状’,”迪耶纳斯解释探测器读数时说道,“而如果反冲谱形状十分复杂,就说明暗物质可能由多种成分构成,比方说动态暗物质。”
 
  

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