暗物質可能消失嗎?可能由多種粒子構成的新理論

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據國外媒體報導,暗物質是塑造宇宙的「看不見的手」。

決定了哪裡會形成星系、哪裡不會形成星系。暗物質的引力將恒星串成星系,又將星系串成星系團。

星系合併時,暗物質也在其中發揮作用,影響最終合併結果。

但暗物質究竟為何物?目前還無人知曉,無人能確切說明。

 

 

我們對暗物質的瞭解大概有以下幾條--

一:暗物質很多,數量約為“普通物質”的五倍。

二:它們不會釋放、反射或吸收光線,但可產生引力,因此對星系的演化至關重要。

三:暗物質很穩定,自宇宙誕生的138億年來,暗物質始終不曾衰變成其它物質種類。即便有也可忽略不計。事實上,即使在億億萬年之後,暗物質仍將長盛不衰,甚至可能永遠不變。

暗物質儘管特殊,但也會像普通物質一樣產生引力。
理論物理學家對暗物質的研究主要以上述三條原則為基礎。但如果第三點關於暗物質穩定性的理論說錯了呢?這便是一套名為“動態暗物質”(Dynamical Dark Matter)的新理論背後的理念。該理論最先由亞利桑那大學物理學家凱斯・迪耶納斯(Keith Dienes)與拉法耶特學院理論學家布魯克斯・托馬斯(Brooks Thomas)共同提出。雖然該理論在暗物質物理界尚處於邊緣位置,但越來越多的人開始被這一學說吸引,也開始有粒子物理學家、天體物理學家加入合作研究陣營。

暗物質領域也的確需要一些新想法、新的構思。雖然一個多世紀以來,天文學家不斷在宇宙各處發現暗物質的痕跡,但始終未能找到任何暗物質粒子。原因並不是缺乏嚐試。

科學家們試過用大型強子對撞機(LHC)等儀器粉碎粒子,在粒子碎片中尋找暗物質的跡象。他們也試過將鍺晶體、液氙和液氬埋在地下深處(比山脈和古老的金礦還要深),尋找與原子核發生碰撞的暗物質粒子。結果均一無所獲,沒有取得任何物理學家一致認同的成果。

「修茲勞透鏡」星系(Huchra‘s Lenses)的引力導致類星體「愛因斯坦十字」(Einstein Cross)發出的光線在周圍發生彎曲。與此同時,暗物質的天體物理學證據不斷累積。

 

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宇宙中有一種神秘現象:物理學家計算了恒星在星系中的旋轉速度後,發現星系邊緣恒星的公轉速度竟然和內部恒星差不多。但根據我們對引力的瞭解,外圍恒星的運動速度應該慢得多才對,除非有某種看不見的力拉著它們前進。另外,星系團中的星系運動極為活躍,按理說應當早已分崩離析,除非有某種看不見的力將它們維繫在一起。注意到共同點了嗎?宇宙微波背景輻射是幫助我們瞭解宇宙誕生初期的最有效工具,而就連這其中也有只能用暗物質才能解釋的特徵。既然暗物質無處不在,為何我們就是找不到它呢?

一些研究人員開始懷疑自己找錯了方向。大多數暗物質探測器都是為尋找假想中的WIMPs粒子(即弱相互作用大質量粒子)設計的。WIMPs粒子似乎是很合適的暗物質「候選者」,因為它可以由標準模型之外的超對稱理論模型(supersymmetry)自然導出。該理論認為,所有基本亞原子粒子都有一顆尚未被發現的「伴粒子」。

遙遠星系的質量並不比地球鄰近星系更大。
物理學家在研究這些假想粒子的特性時,注意到其中一種粒子極其符合暗物質的假設。它可以通過引力和弱力(只有當粒子間距小於質子直徑時才會發生)與其它粒子發生相互作用。另外,該粒子十分穩定,數量也符合宇宙正常演化的需求。

夏威夷大學物理學家傑森・庫馬爾(Jason Kumar)指出,WIMPs粒子「頗負美感」,擁有物理學家熱愛的一切特徵:簡單,對稱,優雅。但庫馬爾稱:「很難將這些理論模型與我們觀測到的數據相匹配。」這並不意味著WIMPs模型是錯誤的,但這的確引發了研究人員對一些十年前可能一笑了之的理論進行反思。「暗物質並不穩定」就是其中之一。

迪耶納斯和托馬斯剛剛提出「動態暗物質」理論時,才剛接觸暗物質不久。由於剛剛入行,兩人剛開始根本沒擔心過穩定性的問題。他們想共同定義一種新型暗物質。他們首先想到,暗物質會不會不止一種粒子、而是由多種不同粒子構成?其次,這些粒子是否可能衰變?有的可能短短幾秒便會消失,有的則可存在數萬億年之久。關鍵在於,各類粒子的數量要剛好平衡,才能讓大部分暗物質存留到今天。

迪耶納斯和托馬斯將這一新理論框架命名為「動態暗物質」,並開始在學術會議上分享這一觀點。但按照迪耶納斯的說法,該理論遭遇了大量質疑。

人們一直在問穩定性的問題。」迪耶納斯回憶道,「但我們並未按照傳統方式思考這一點。」

物理學家又為何如此確定暗物質是穩定的呢?天文學家通過觀察數十億光年外的星繫了解到,這些古老星系中的暗物質重量並不亞於年紀輕輕的鄰近星系,至少差距沒有大到能測量出的程度。此外,假如暗物質衰變為質量更輕、可探測到的粒子,這些粒子便會攜帶大量能量在宇宙中四處穿行。若真是如此,我們從地球上應當能探測到它們才對。並且,如果暗物質衰變發生在宇宙誕生初期,便會幹擾元素的形成,改變宇宙中的化學環境。

「動態暗物質」模型可通過平衡解決穩定性的問題。

如果大部分暗物質都以穩定粒子的形式存在,壽命比宇宙還要長,則也許還有少量暗物質屬於迅速衰變的粒子。「這是壽命與數量之間的平衡問題」迪耶納斯表示,「這樣的平衡也許能取代單純的穩定說,成為暗物質的新基本原則。」

這種解釋乍一看似乎有些牽強附會。事情怎麼就能這麼巧?但迪耶納斯、托馬斯和合作研究人員找到了幾種情境,恰好能生成合適的粒子組合。「我們發現,有多種有趣的方式可產生這一結果。」托馬斯表示。動態暗物質理論對暗物質粒子的組成和形成方式持「不可知論」態度,「暗物質不是只有一種模型、僅由一種粒子構成。我們的理論提供了一套思考暗物質本質的全新框架。」

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除動態暗物質理論外,還有越來越多的「多成分」暗物質模型支援多粒子假說。

「動態暗物質理論的關鍵區別在於,它並不是隨機地選擇幾種粒子,而是設計了一些描述其特性的限製參數。」庫馬爾解釋道。

暗物質會減少?

如今,宇宙中約85%的物質由暗物質構成,其質量約為普通物質的五倍。但假如動態暗物質框架正確,暗物質總有一天會徹底消失。這一過程剛開始時非常緩慢,但等到大量暗物質過期後,消失速度便會大大加快,終有一日會徹底滅絕。

但這一切要過很久、很久才會發生。一直到宇宙中另一種神秘力量――暗能量將宇宙徹底撕碎、化為虛無之後很長時間,暗物質才會徹底消亡。但有人可能要問:如果宇宙中少了一丁點暗物質,又有誰會在乎呢?

尋找暗物質粒子的科學家們在乎。

這是因為動態暗物質粒子在暗物質探測器中留下的痕跡將比WIMPs粒子更為複雜。如果說WIMPs粒子只是在普通粒子間簡單地跳來跳去,那麼動態暗物質粒子(或其它成分複雜的暗物質)則像是在粒子間打群架。「如果只有一種暗物質粒子,便只會形成一種特定的反衝譜形狀」迪耶納斯解釋探測器讀數時說道,「而如果反衝譜形狀十分複雜,就說明暗物質可能由多種成分構成,比方說動態暗物質。」

粒子對撞實驗也能將動態暗物質與WIMPs粒子區分開來。「動態暗物質產生的譜線非常豐富,其中有些和傳統理念中的暗物質區別巨大。」亞利桑那州立大學物理學家蘇淑芳解釋道。蘇淑芳正與迪耶納斯和托馬斯合作,試圖預測出動態暗物質會在粒子對撞機收集的數據中留下哪些痕跡。

蘇淑芳被「暗物質可能由多種粒子構成」的理論深深吸引,開始研究動態暗物質模型。如果真是這樣,大型強子對撞機生成的粒子碎片應當會呈現出一種非常獨特的痕跡。「這種變化會非常明顯,與只有一種暗物質粒子的情況截然不同。」蘇淑芳指出,「如果一種暗物質粒子只產生單峰,動態暗物質便會生成多峰、甚至其它奇異特徵。」

此外還有衰變問題。構成動態暗物質的各類粒子壽命不同。有的幾乎剛剛誕生便會發生衰變,有的則能維持一段時間、在探測器中穿行一定長度,有的則可完全逃離探測器。「就算衰變後仍為暗物質,也會呈現出全然不同的特徵。」蘇淑芳表示。

蘇淑芳正在思索如何用地球上的對撞機探測動態暗物質,庫馬爾則在思考該模型是否能解釋困擾天文學家的另一難題,即太空中的高能正電子過剩現象。暗物質研究人員提出,這些正電子也許是在WIMPs粒子相撞、湮滅的過程中產生的。庫馬爾表示,問題在於,這一過程產生的正電子能量存在上限,過了這個分界點之後,便應當會停止產生正電子。但天文學家目前仍未找到這一分界點。而動態暗物質產生的正電子能量水平則可能剛好與天文學家的觀測結果相符。

當然,動態暗物質只是WIMPs粒子的眾多替代理論之一。此外還有SIMPs粒子(強相互作用大質量粒子)、RAMBOs(大質量重子天體強關聯星團)、軸子(axions)、六夸克(sexaquarks)等等。在物理學家明確探測到暗物質之前,理論學家還有很多奇思妙想的空間。

「我們只想說,動態暗物質是一套很有趣的模型,並不是說一定比別的模型好。」迪耶納斯表示,「這一領域仍有很多可能性,而數據終將告訴我們真相。」

來源:Pixbay、Sina