暗物質(zhì)有可能消失嗎？可能由多種粒子構(gòu)成的新理論
暗物質(zhì)盡管特殊，但也會像普通物質(zhì)一樣產(chǎn)生引力。
“修茲勞透鏡”星系（Huchra‘s Lenses）的引力導(dǎo)致類星體“愛因斯坦十字”（Einstein Cross）發(fā)出的光線在周圍發(fā)生彎曲。
遙遠(yuǎn)星系的質(zhì)量并不比地球鄰近星系更大。
北京時間6月4日消息，據(jù)國外媒體報道，暗物質(zhì)是塑造宇宙的“看不見的手”。它決定了哪里會形成星系、哪里不會形成星系。暗物質(zhì)的引力將恒星串成星系，又將星系串成星系團(tuán)。星系合并時，暗物質(zhì)也在其中發(fā)揮著作用，影響終的合并結(jié)果。但暗物質(zhì)究竟為何物？目前還無人知曉。
我們對暗物質(zhì)的了解大概有以下幾條。一：暗物質(zhì)很多，數(shù)量約為“普通物質(zhì)”的五倍；二：它們不會釋放、反射或吸收光線，但可產(chǎn)生引力，因此對星系的演化至關(guān)重要；三：暗物質(zhì)很穩(wěn)定，自宇宙誕生的138億年來，暗物質(zhì)始終不曾衰變成其它物質(zhì)。即便有也可忽略不計。事實上，即使在億億萬年之后，暗物質(zhì)仍將長盛不衰，甚至可能永遠(yuǎn)不變。
理論物理學(xué)家對暗物質(zhì)的研究主要以上述三條原則為基礎(chǔ)。但如果第三點(diǎn)關(guān)于暗物質(zhì)穩(wěn)定性的理論說錯了呢？這便是一套名為“動態(tài)暗物質(zhì)”（Dynamical Dark Matter）的新理論背后的理念。該理論先由亞利桑那大學(xué)物理學(xué)家凱斯·迪耶納斯（Keith Dienes）與拉法耶特學(xué)院理論學(xué)家布魯克斯·托馬斯（Brooks Thomas）共同提出。雖然該理論在暗物質(zhì)物理界尚處于邊緣位置，但越來越多的人開始被這一學(xué)說吸引，也開始有粒子物理學(xué)家、天體物理學(xué)家加入合作研究陣營。
暗物質(zhì)領(lǐng)域也的確需要一些新想法。雖然一個多世紀(jì)以來，天文學(xué)家不斷在宇宙各處發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的痕跡，但始終未能找到任何暗物質(zhì)粒子。原因并不是缺乏嘗試。科學(xué)家們試過用大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）等儀器粉碎粒子，在粒子碎片中尋找暗物質(zhì)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(fā)生碰撞的暗物質(zhì)粒子。結(jié)果均一無所獲，沒有取得任何物理學(xué)家一致認(rèn)同的成果。
與此同時，暗物質(zhì)的天體物理學(xué)證據(jù)不斷累積。宇宙中有一種神秘現(xiàn)象：物理學(xué)家計算了恒星在星系中的旋轉(zhuǎn)速度后，發(fā)現(xiàn)星系邊緣恒星的公轉(zhuǎn)速度竟然和內(nèi)部恒星差不多。但根據(jù)我們對引力的了解，外圍恒星的運(yùn)動速度應(yīng)該慢得多才對，除非有某種看不見的力拉著它們前進(jìn)。另外，星系團(tuán)中的星系運(yùn)動極為活躍，按理說應(yīng)當(dāng)早已分崩離析，除非有某種看不見的力將它們維系在一起。注意到共同點(diǎn)了嗎？宇宙微波背景輻射是幫助我們了解宇宙誕生初期的有效工具，而就連這其中也有只能用暗物質(zhì)才能解釋的特征。既然暗物質(zhì)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(shù)暗物質(zhì)探測器都是為尋找假想中的WIMPs粒子（即弱相互作用大質(zhì)量粒子）設(shè)計的。WIMPs粒子似乎是很合適的暗物質(zhì)“候選者”，因為它可以由標(biāo)準(zhǔn)模型之外的超對稱理論模型（supersymmetry）自然導(dǎo)出。該理論認(rèn)為，所有基本亞原子粒子都有一顆尚未被發(fā)現(xiàn)的“伴粒子”。
物理學(xué)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(zhì)的假設(shè)。它可以通過引力和弱力（只有當(dāng)粒子間距小于質(zhì)子直徑時才會發(fā)生）與其它粒子發(fā)生相互作用。另外，該粒子十分穩(wěn)定，數(shù)量也符合宇宙正常演化的需求。
夏威夷大學(xué)物理學(xué)家杰森·庫馬爾（Jason Kumar）指出，WIMPs粒子“頗負(fù)美感”，擁有物理學(xué)家熱愛的一切特征：簡單，對稱，優(yōu)雅。但庫馬爾稱：“很難將這些理論模型與我們觀測到的數(shù)據(jù)相匹配。”這并不意味著WIMPs模型是錯誤的，但這的確引發(fā)了研究人員對一些十年前可能一笑了之的理論進(jìn)行反思。“暗物質(zhì)并不穩(wěn)定”就是其中之一。不穩(wěn)定的影響
迪耶納斯和托馬斯剛剛提出“動態(tài)暗物質(zhì)”理論時，才剛接觸暗物質(zhì)不久。由于剛剛?cè)胄?，兩人剛開始根本沒擔(dān)心過穩(wěn)定性的問題。他們想共同定義一種新型暗物質(zhì)。他們首先想到，暗物質(zhì)會不會不止一種粒子、而是由多種不同粒子構(gòu)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(shù)萬億年之久。關(guān)鍵在于，各類粒子的數(shù)量要剛好平衡，才能讓大部分暗物質(zhì)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(tài)暗物質(zhì)”，并開始在學(xué)術(shù)會議上分享這一觀點(diǎn)。但按照迪耶納斯的說法，該理論遭遇了“大量質(zhì)疑”。
“人們一直在問穩(wěn)定性的問題。”迪耶納斯回憶道，“但我們并未按照傳統(tǒng)方式思考這一點(diǎn)。”
物理學(xué)家又為何如此確定暗物質(zhì)是穩(wěn)定的呢？天文學(xué)家通過觀察數(shù)十億光年外的星系了解到，這些古老星系中的暗物質(zhì)重量并不亞于年紀(jì)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(zhì)衰變?yōu)橘|(zhì)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(yīng)當(dāng)能探測到它們才對。并且，如果暗物質(zhì)衰變發(fā)生在宇宙誕生初期，便會干擾元素的形成，改變宇宙中的化學(xué)環(huán)境。
“動態(tài)暗物質(zhì)”模型可通過平衡解決穩(wěn)定性的問題。如果大部分暗物質(zhì)都以穩(wěn)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(zhì)屬于迅速衰變的粒子。“這是壽命與數(shù)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(wěn)定說’，成為暗物質(zhì)的新基本原則。”
這種解釋乍一看似乎有些牽強(qiáng)附會。事情怎么就能這么巧？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(fā)現(xiàn)，有多種有趣的方式可產(chǎn)生這一結(jié)果。”托馬斯表示。動態(tài)暗物質(zhì)理論對暗物質(zhì)粒子的組成和形成方式持“不可知論”態(tài)度，“暗物質(zhì)不是只有一種模型、僅由一種粒子構(gòu)成。我們的理論提供了一套思考暗物質(zhì)本質(zhì)的全新框架。”
除動態(tài)暗物質(zhì)理論外，還有越來越多的“多成分”暗物質(zhì)模型支持多粒子假說。“動態(tài)暗物質(zhì)理論的關(guān)鍵區(qū)別在于，它并不是隨機(jī)地選擇幾種粒子，而是設(shè)計了一些描述其特性的限制參數(shù)。”庫馬爾解釋道。
暗物質(zhì)會減少？
如今，宇宙中約85%的“物質(zhì)”由暗物質(zhì)構(gòu)成，其質(zhì)量約為普通物質(zhì)的五倍。但假如動態(tài)暗物質(zhì)框架正確，暗物質(zhì)總有會徹底消失。這一過程剛開始時非常緩慢，但等到大量暗物質(zhì)“過期”后，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(fā)生。一直到宇宙中另一種神秘力量——暗能量將宇宙徹底撕碎、化為虛無之后很長時間，暗物質(zhì)才會徹底消亡。但有人可能要問：如果宇宙中少了一丁點(diǎn)暗物質(zhì)，又有誰會在乎呢？
尋找暗物質(zhì)粒子的科學(xué)家們在乎。
這是因為動態(tài)暗物質(zhì)粒子在暗物質(zhì)探測器中留下的痕跡將比WIMPs粒子更為復(fù)雜。如果說WIMPs粒子只是在普通粒子間簡單地“跳來跳去”，那么動態(tài)暗物質(zhì)粒子（或其它成分復(fù)雜的暗物質(zhì)）則像是在粒子間“打群架”。“如果只有一種暗物質(zhì)粒子，便只會形成一種特定的反沖譜‘形狀’，”迪耶納斯解釋探測器讀數(shù)時說道，“而如果反沖譜形狀十分復(fù)雜，就說明暗物質(zhì)可能由多種成分構(gòu)成，比方說動態(tài)暗物質(zhì)。”
粒子對撞實驗也能將動態(tài)暗物質(zhì)與WIMPs粒子區(qū)分開來。“動態(tài)暗物質(zhì)產(chǎn)生的譜線非常豐富，其中有些和傳統(tǒng)理念中的暗物質(zhì)區(qū)別巨大。”亞利桑那州立大學(xué)物理學(xué)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(yù)測出動態(tài)暗物質(zhì)會在粒子對撞機(jī)收集的數(shù)據(jù)中留下哪些痕跡。
蘇淑芳被“暗物質(zhì)可能由多種粒子構(gòu)成”的理論深深吸引，開始研究動態(tài)暗物質(zhì)模型。如果真是這樣，大型強(qiáng)子對撞機(jī)生成的粒子碎片應(yīng)當(dāng)會呈現(xiàn)出一種非常獨(dú)特的痕跡。“這種變化會非常明顯，與只有一種暗物質(zhì)粒子的情況截然不同。”蘇淑芳指出，“如果一種暗物質(zhì)粒子只產(chǎn)生單峰，動態(tài)暗物質(zhì)便會生成多峰、甚至其它奇異特征。”
此外還有衰變問題。構(gòu)成動態(tài)暗物質(zhì)的各類粒子壽命不同。有的幾乎剛剛誕生便會發(fā)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。“就算衰變后仍為暗物質(zhì)，也會呈現(xiàn)出全然不同的特征。”蘇淑芳表示。
蘇淑芳正在思索如何用地球上的對撞機(jī)探測動態(tài)暗物質(zhì)，庫馬爾則在思考該模型是否能解釋困擾天文學(xué)家的另一難題，即太空中的高能正電子過?，F(xiàn)象。暗物質(zhì)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(chǎn)生的。庫馬爾表示，問題在于，這一過程產(chǎn)生的正電子能量存在上限，過了這個分界點(diǎn)之后，便應(yīng)當(dāng)會停止產(chǎn)生正電子。但天文學(xué)家目前仍未找到這一分界點(diǎn)。而動態(tài)暗物質(zhì)產(chǎn)生的正電子能量水平則可能剛好與天文學(xué)家的觀測結(jié)果相符。
當(dāng)然，動態(tài)暗物質(zhì)只是WIMPs粒子的眾多替代理論之一。此外還有SIMPs粒子（強(qiáng)相互作用大質(zhì)量粒子）、RAMBOs（大質(zhì)量重子天體強(qiáng)關(guān)聯(lián)星團(tuán)）、軸子（axions）、六夸克（sexaquarks）等等。在物理學(xué)家明確探測到暗物質(zhì)之前，理論學(xué)家還有很多奇思妙想的空間。
“我們只想說，動態(tài)暗物質(zhì)是一套很有趣的模型，并不是說一定比別的模型好。”迪耶納斯表示，“這一領(lǐng)域仍有很多可能性，而數(shù)據(jù)終將告訴我們真相。”
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