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没想到你竟然是这样的粒子——暗物质大猜想

来源:中国科普博览 作者:candy 人气: 发布时间:2016-12-07
摘要:上世纪70年代早期涌现的关于暗物质的天文学证据激发了物理学家的兴趣。当时,宇宙学家和核物理学家正在发展现在的宇宙模型,试图理解包括暗物质和其它组分的宇宙是如何形成的。与此同时,还有一部分科学家试图在标准模型中为与暗物质相关的粒子找到一席之地

  上世纪70年代早期涌现的关于暗物质的天文学证据激发了物理学家的兴趣。当时,宇宙学家和核物理学家正在发展现在的宇宙模型,试图理解包括暗物质和其它组分的宇宙是如何形成的。与此同时,还有一部分科学家试图在标准模型中为与暗物质相关的粒子找到“一席之地”。

  到70年代末,粒子相互作用的标准模型已通过实验站稳了脚跟。与此同时,物理学家正在完善宇宙学的标准模型。在大爆炸中,一个密度无限大、温度无限高的奇点(singularity)的爆炸可能是宇宙演化的起点,宇宙开始膨胀、直至今日。充斥整个宇宙的质子、中子、电子和能量通过核合成形成各类元素,科学家将标准模型和核理论应用于大爆炸模型,对核合成进行量化。

这一太初核合成模型由对宇宙轻元素丰度的天文学观测支撑,对大爆炸后最初几分钟的重子的密度进行了重要预测:在宇宙演化的起点,大爆炸产生的普通物质不足以带来我们所需的全部暗物质。天体物理学家得出结论,暗物质必定是某种尚未观测到的新型物质,甚至可能是一种全新的粒子。通过新粒子解释暗物质的最初尝试来自一个“意外之地”——美国南达科他州的Homestake地下金矿。

  “意外之地”——位于美国南达科他州Homestake金矿中的中微子探测器,由物理学家戴维斯(RaymondDavis,Jr.)等人于上世纪60年代末建立。

  科学家用建在金矿中的中微子探测器“捕捉”他们认为来自于太阳的中微子。到1976年,探测结果已明确显示,该实验“捕捉”到的中微子远少于理论预测。当时的一个解释是,某种相互作用微弱的重粒子可能在太阳中心聚集,使其发生极轻微的降温。这种新型重粒子或许具备一些暗物质所需的特性:与其它粒子的相互作用极弱,在太阳系中大量存在,大爆炸遗留的产物。我们现在已经认识到,中微子“不足额”的原因是中微子振荡;但在当时,这却提供了一条激发研究兴趣的线索——暗物质可能由一种标准模型之外的新型粒子构成。重中微子曾一度被认为是暗物质粒子的“候选者”,但对中微子暗物质的大尺度结构模拟排除了这种可能性。

下表列出了一些暗物质的“候选者”。



自80年代晚期,随着暗物质可能是新型粒子的观点被逐步接受,科学家开始进行实验,在暗物质与普通物质直接发生相互作用的事件中寻找暗物质。科学界存在两种关于暗物质粒子候选者的主流观点。一种观点认为暗物质是一种被称为轴子的极轻粒子。将夸克“捆”在一起的强作用力具有令人费解的特性,轴子是为解释这种特性提出的假想粒子。一个轴子的重量大约是质子的万亿分之一。另一种观点来自一大类理论,这些理论预测了一种重量相当于质子100到1000倍的电中性粒子。这类粒子被统称为大质量弱相互作用粒子(WIMPs),最初是物理学家为解释上文提到的太阳中微子问题而提出的。


轴子暗物质实验(Axion Dark Matter Experiment)

  到目前为止,物理学家尚未找到轴子或大质量弱相互作用粒子确实存在的证据,两种粒子都停留在假想阶段。但物理学界积累的理论基础足以驱动对暗物质粒子的探寻。部分实验已经带来关于这些奇特粒子的线索。

  寻找这两种粒子的实验之间存在较大差异,这取决于“候选粒子”的物理学特性。假想的轴子不带电、质量极小且与普通物质的相互作用极微弱,相关实验必须通过间接手段寻找轴子。而大质量弱相互作用粒子被看成质量大且与普通物质相互作用非常弱的粒子,因此可以通过直接或间接手段寻找它们。

  (以上内容参考Physics for the 21st Century编译整理)

  换一种角度解读

  为什么暗物质不会是我们现在已知的粒子呢?那是因为没有一种已知粒子符合暗物质的特点。

  依据已有的证明暗物质存在的证据,暗物质可能有以下特点。首先,暗物质不发光,却有引力,因为我们是通过引力方法测量到它的存在。其次,宇宙中暗物质比可见物质多得多,暗物质能占到宇宙物质组成的26.8%,普通物质只有4.9%。

  而暗物质粒子的主要性质有以下三点:

  首先,暗物质粒子的寿命比较长。因为宇宙演化了一百三十多亿年,暗物质仍然存在。可以推测,要么暗物质是和质子一样,不会衰变的;要么暗物质虽然衰变,但速率非常低。

  其次,暗物质主要是冷的,也就意味着它的速度比较低,质量比较大。

  最后,暗物质粒子之间的相互作用很弱。暗物质粒子不参与电磁相互作用,它们之间存在的引力相互作用以及可能存在的弱相互作用,这两种作用都很弱。

  在新的粒子物理模型中,有很多粒子的性质很像暗物质粒子,可惜,没有一个完全符合。

  下面我们逐个分析。下图是标准模型,包含除了引力子以外的所有已知粒子:


图:现有粒子模型

  从左上角看起。右上角是夸克家族,包括六类夸克,共计36种。为什么夸克不能是暗物质粒子呢?因为夸克都带电,带电就会发光。

  左下角是轻子家族。电子、μ子和τ粒子都带有电荷。而中微子虽然不带电荷,但它质量比较轻,速度比较大。

  右边是玻色子家族。其中光子是电磁相互作用的媒介粒子,肯定不是暗物质。W及Z玻色子虽然是弱相互作用的媒介粒子,但它们不稳定。胶子是强相互作用的媒介粒子。

  最中间还有一个不标准的玻色子,是希格斯粒子。它的衰变非常快速,不稳定。

  所以暗物质粒子应该是未知的一种新粒子,为了了解这种新粒子的性质,我们要设计实验来探测。

责任编辑:candy