暗光子：暗物质新线索

航天 · 2016-11-4 10:52:25

宇宙中藏着某种神秘的东西。它看不见摸不着，我们仅能通过它施加给宇宙万物的引力，得知它的存在。几十年来，有关暗物质的假设一个一个地被否定，随着候选范围的层层缩减，物理学家已开始隐隐不安。要是最后一个假设也被否决，该如何是好？难道我们注定永远无法对这些占宇宙质量1/4的物质一探究竟吗？　　今年早春，一切忽然柳暗花明起来。研究人员找到了一条近年来最有价值的线索：一些新的作用力似乎能让暗物质“开口说话”。这一发现或许能帮助我们弄清，暗物质是由何种粒子构成。　　这条线索是在观察宇宙角落里一个名为Abell 3827的星团时发现的。近段时间，天文学家正利用“引力透镜效应”（gravitational lensing，指光经过大质量物体时会发生弯折的现象）锁定了暗物质在该星系团内4个相互碰撞的星系间的位置。哈勃空间望远镜和智利的甚大望远镜（Very Large Telescope）发现，至少围绕在一个星系周围的暗物质，明显落在了普通物质的后面，这意味着一个从未被观测到的现象：暗物质中的粒子正发生相互作用，并因此拖慢了自己的脚步。　　由英国杜伦大学理查德•马西（Richard Massey）领导的研究小组推测，因为这一相互作用并未影响到普通物质，所以这种作用肯定是由引力之外的某种只影响暗物质的力主导的，比如一种由交换“暗光子”（dark photons）而形成的力。这类似于普通质子依靠电磁力进行相互作用的情形：当两个质子相互靠近时，每个质子都将释放一个光子——电磁力的载体——并吸收对方的光子。动量由此交换，质子彼此分离。　　这一消息吸引了正在苦苦搜寻的物理学家们，来自纽约大学的物理学家尼尔•韦纳（Neal Weiner，未参与上述研究）说，“如果真是这样，那可真要天翻地覆了”。暗光子方案是从一种最基本也最流行的暗物质理论发展而来的，该理论认为暗物质由一种通常称为“弱相互作用重粒子”（weakly interacting massive particle, WIMP）的粒子构成。不过暗光子及其独有的相互作用，可以解释一些WIMP单粒子方案无法回答的问题，例如为何星系中心的密度会低于原先计算的结果。　　暗光子方案将帮助物理学家从暗物质“候选名单”上再划掉几个不靠谱的选项。“虽然我们从各种各样的途径获得了暗物质存在的证据，”韦纳说道，“但除了引力相互作用外，我们对其仍一无所知。如果暗物质确实存在这种自相互作用，那么有一大堆关于暗物质的理论模型就可以被淘汰了。”新发现发表在了今年6月的英国《皇家天文学会月报》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）上（4月份已在线发表于该期刊）。值得一提的是，新发现可能与许多著名的暗物质假说相左，因为这些假说中的暗物质粒子是从超对称理论中导出的。超对称理论是一个试图解答许多物理学谜题的诱人理论，例如，它假设基本粒子种数比目前已知的更多，来解释希格斯玻色子的质量为何如此之小。但即便推出暗物质是由这些粒子中的某一种（比如WIMP）构成，这一理论的大多数版本也不包含自相互作用。　　参与该项研究的科学家则认为，现在就排除其他更“平庸”的解释还为时尚早。例如，当暗物质处在碰撞星系之外，同时又恰在地球的视线上，则可能增强引力透镜效应。“对这项新研究的不利的方面是，这仅是一个孤立事件，”团队成员、来自瑞士联邦理工学院的戴维•哈维（David Harvey）说，“宇宙中有太多的未知，我只能说一切皆有可能。”况且，在之前对其他星团的搜寻中，也没找到过暗物质自相互作用的迹象，这其中就包括今年3月哈维领导的一项涉及72例星团碰撞而非个别星系碰撞的研究。不过，星团碰撞的速度比星系的更快，留给暗物质进行自相互作用，并显出滞后的迹象的时间也更少，所以两项研究的结果并不矛盾。　　即便最近的观测没能引入新的作用力和暗光子方案，Abell 3827星团仍然让物理学家在“暗物质不是什么”这个问题上迈近了一步。与此同时，地下探测暗物质粒子的搜寻依旧无果，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）目前也仍未找到暗物质粒子。科学家期盼形势能很快出现转机：4月份重启的大型强子对撞机将达到它的最高能量上限，探测器的灵敏度也会调至最高。“暗物质是如此令人费解，我们想要的数据不知何时才能获得，”哈维感叹道，“我感觉如果现在还不出现转机，就永远都不会出现了。”　　【未经环球科学杂志社授权许可，任何组织、机构或个人不得对本栏目下作品实施转载、摘编或其他任何形式的使用行为，违者将追究其法律责任。】

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