一直以來(lái)人們都認(rèn)為暗物質(zhì)是“弱互作用大質(zhì)量粒子”，但最近有一批科學(xué)家提出了新方案。
1:08 Theory Of Everything 來(lái)自星空天文網(wǎng) 
宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型告訴我們，宇宙中普通物質(zhì)只有4.9%，剩下26.8%是暗物質(zhì)，68.3%是暗能量。顧名思義，我們看不到暗物質(zhì)，因此它們的存在只能依據(jù)理論模型，或觀測(cè)宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，以及它們對(duì)可見物質(zhì)產(chǎn)生的明顯引力作用來(lái)推斷。
自從暗物質(zhì)理論被提出以來(lái)，不乏許多對(duì)暗物質(zhì)粒子是什么的推測(cè)。不久以前，許多科學(xué)家提出，暗物質(zhì)是由“弱互作用大質(zhì)量粒子（WIMPs）”構(gòu)成的，它們的質(zhì)量是質(zhì)子的100倍，但相互作用的方式和中微子類似。然而，所有利用對(duì)撞實(shí)驗(yàn)來(lái)尋找暗物質(zhì)粒子的努力都一無(wú)所獲。因此有一些科學(xué)家開始懷疑，暗物質(zhì)是不是由另外一種完全不同的東西構(gòu)成的？
當(dāng)前的宇宙學(xué)模型傾向于假設(shè)暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量在100吉電子伏左右，這與另外一些通過(guò)弱互作用力發(fā)生作用的粒子質(zhì)量尺度相符。這樣一種粒子的存在，符合粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中的超對(duì)稱外延。人們進(jìn)一步相信，這樣的粒子產(chǎn)生自熾熱致密的早期宇宙，且把質(zhì)量和密度一直保持到了今天。
根據(jù)超對(duì)稱理論，“弱互作用大質(zhì)量粒子”會(huì)相互湮滅，產(chǎn)生一系列的粒子和輻射，包括中等強(qiáng)度的伽瑪射線。天空和望遠(yuǎn)鏡 / Gregg Dinderman
然而，人們無(wú)法在實(shí)驗(yàn)中找到這類粒子存在的任何具體證據(jù)。無(wú)論是在鄰近星系和星系團(tuán)中尋找這類粒子發(fā)生湮滅時(shí)產(chǎn)生的線索（如伽瑪射線，中微子和宇宙射線），還是使用強(qiáng)大的粒子對(duì)撞機(jī)進(jìn)行直接檢測(cè)，結(jié)果都是一樣。
因此，許多科研團(tuán)隊(duì)開始考慮跳出“弱互作用大質(zhì)量粒子”的框架，來(lái)尋找暗物質(zhì)。比如一個(gè)丹麥的宇宙學(xué)家小組，最近發(fā)表了他們的研究成果，他們認(rèn)為暗物質(zhì)可能比之前人們想像的要重得多，它們的相互作用也要微弱得多。
團(tuán)隊(duì)中的McCullen Sandora博士這樣說(shuō)：
“我們還不能排除‘弱互作用大質(zhì)量粒子’這樣的方案，但是多年來(lái)我們都一無(wú)所獲。弱層次結(jié)構(gòu)問(wèn)題帶來(lái)了非常大的麻煩。為什么我們所知的粒子都那么輕，尤其是相對(duì)于大自然的引力尺度而言。引力尺度，也就是普朗克尺度，大約在10^19吉電子伏左右。因此如果暗物質(zhì)存在于普朗克尺度附近，就不會(huì)帶來(lái)層次結(jié)構(gòu)問(wèn)題，而這也能夠解釋為什么我們看不到任何與‘弱互作用大質(zhì)量粒子’有關(guān)的跡象。”
他們采用了一種被稱為“普朗克互作用暗物質(zhì)（PIDM）”的新模型，來(lái)探索暗物質(zhì)質(zhì)量的上限。“弱互作用大質(zhì)量粒子”把目光放在了弱電力尺度的上限，而這批丹麥學(xué)者認(rèn)為，暗物質(zhì)存在于另一種完全不同的自然尺度——普朗克尺度上。
宇宙時(shí)間線，從大爆炸到今天。NASA
在普朗克尺度上，一個(gè)質(zhì)量單元等于2.17645×10^-8千克，大致相當(dāng)于1微克，或是質(zhì)子質(zhì)量的10^19倍。以此計(jì)算，每個(gè)“普朗克互作用暗物質(zhì)”基本單元的質(zhì)量都接近于粒子質(zhì)量的極限，再重它們就要變成迷你黑洞了。這些科學(xué)家還提出了一個(gè)理論，認(rèn)為這些暗物質(zhì)大批形成于宇宙的極早期——“再熱期”——這一時(shí)期發(fā)生在“暴脹期”結(jié)束時(shí)，大致上是“大爆炸”后10^-36秒至10^-33秒或10^-32秒之間。
這一時(shí)期之所以被稱為“再熱”，是因?yàn)樵诒┟浧陂g，宇宙的溫度下跌了10萬(wàn)倍左右。暴脹一旦結(jié)束，溫度便開始回升到暴脹前的水平（大約10^27K）。此刻，暴脹場(chǎng)中的巨大潛在能量開始衰減為遍布整個(gè)宇宙的標(biāo)準(zhǔn)模型粒子，而暗物質(zhì)可能就包含其中。
這個(gè)理論對(duì)宇宙學(xué)家的許多推斷都是有啟示性的。比如要使這個(gè)模型行得通，再熱期的溫度就必須比當(dāng)前的假設(shè)要高。一個(gè)溫度更高的再熱期則會(huì)導(dǎo)致更多原初引力波的產(chǎn)生，而這理應(yīng)能夠在宇宙微波背景中看得到。
“這么高的溫度告訴我們，有兩件與暴脹有關(guān)的事情非常有趣，”Sandora說(shuō)。“假如暗物質(zhì)的確存在于普朗克尺度上，暴脹必然發(fā)生在極高的能量級(jí)上，也就是說(shuō)它不但能夠在早期宇宙的溫度中產(chǎn)生漲落，還能夠使時(shí)空本身發(fā)生漲落，產(chǎn)生引力波。其次，它告訴我們暴脹能量必然會(huì)極快地衰減為物質(zhì)，因?yàn)槿绻掷m(xù)時(shí)間太長(zhǎng)，宇宙的冷卻便會(huì)使得存在于普朗克尺度上的暗物質(zhì)完全無(wú)法產(chǎn)生。”
未來(lái)對(duì)宇宙微波背景的研究，可能會(huì)告訴我們暗物質(zhì)的真相。NASA / WMAP
這類引力波存在與否，可以在未來(lái)對(duì)宇宙微波背景的研究中加以證實(shí)或排除。而這同樣也是一個(gè)令人興奮的消息，因?yàn)樽罱藗兂晒Φ刂苯訖z測(cè)到引力波，無(wú)疑鼓舞了檢測(cè)原初引力波——這種極早期宇宙產(chǎn)物的努力。
Sandora認(rèn)為對(duì)于科學(xué)家來(lái)說(shuō)，這是雙贏的，無(wú)論這種暗物質(zhì)的最新候選者在不久的將來(lái)被證實(shí)還是被排除。
“我們的設(shè)想是具體的：我們打算在下一代的宇宙微波背景實(shí)驗(yàn)中尋找這些引力波。實(shí)際上，這樣的設(shè)想不會(huì)有什么壞處：假如我們發(fā)現(xiàn)了它們，那太好了；假如我們沒(méi)有看到，那我們就會(huì)知道暗物質(zhì)并不是這種東西，我們也就會(huì)明白和普通物質(zhì)發(fā)生作用的，肯定是別的什么。而謎底肯定會(huì)在下個(gè)十年左右的時(shí)間內(nèi)揭曉，這將給我們帶來(lái)許多期待?！?/p>
自Jacobus Kapteyn 1922年提出存在暗物質(zhì)的假設(shè)以來(lái)，科學(xué)家一直在尋找這種物質(zhì)存在的直接證據(jù)。從“引力子”到“暈族大質(zhì)量致密天體（MACHOS）”到軸子——眾多的候選者被一一提出，被一一稱重，被一一尋找。假如別無(wú)他物，那么這種最新的暗物質(zhì)候選者無(wú)論在不遠(yuǎn)的將來(lái)被證實(shí)還是被排除，都是我們所樂(lè)意見到的事。
假如它被證實(shí)，那么宇宙學(xué)中最大的謎團(tuán)就會(huì)被解開。人類在了解宇宙及其神秘作用力的道路上會(huì)邁出一大步。無(wú)論有沒(méi)有萬(wàn)物理論，我們都在不斷向前。
Matt Williams 文 / 老孫 譯
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