美國(guó)自然歷史博物館的海登天文館太空展 "黑暗宇宙 "中的一張圖片,突出了暗物質(zhì)可能在我們的宇宙中無(wú)處不在的例子。在這幅來(lái)自一個(gè)詳細(xì)的計(jì)算機(jī)模擬的畫面中,黑色顯示的復(fù)雜的暗物質(zhì)細(xì)絲像蜘蛛網(wǎng)一樣散落在宇宙中,而相對(duì)罕見的熟悉的重子物質(zhì)團(tuán)塊則被染成了橙色。這些模擬結(jié)果與天文觀測(cè)結(jié)果有很好的統(tǒng)計(jì)匹配。在一個(gè)也許是更可怕的轉(zhuǎn)折中,暗物質(zhì)不再被認(rèn)為是宇宙中最奇怪的重力來(lái)源。這一榮譽(yù)現(xiàn)在落到了暗能量身上,這是一種更均勻的排斥性引力來(lái)源,現(xiàn)在似乎主導(dǎo)了整個(gè)宇宙的膨脹。
研究人員的計(jì)算暗示,這些粒子可能以恰到好處的數(shù)量被創(chuàng)造出來(lái)以解釋暗物質(zhì),而暗物質(zhì)只能通過(guò)其對(duì)普通物質(zhì)的引力被"看見"。"巨大的引力子是由早期宇宙中普通粒子的碰撞產(chǎn)生的。"研究報(bào)告的共同作者、法國(guó)里昂大學(xué)的物理學(xué)家Giacomo Cacciapaglia告訴《生活科學(xué)》說(shuō):"這個(gè)過(guò)程被認(rèn)為太罕見了,大質(zhì)量引力子不可能成為暗物質(zhì)的候選人。"
但是在2月份發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上的一項(xiàng)新研究中,Cacciapaglia與韓國(guó)大學(xué)的物理學(xué)家Haiying Cai和Seung J. Lee發(fā)現(xiàn),這些引力子在早期宇宙中就已經(jīng)產(chǎn)生,足以解釋我們目前在宇宙中探測(cè)到的所有暗物質(zhì)。
研究發(fā)現(xiàn),如果引力子存在,其質(zhì)量將小于1兆電子伏特(MeV),因此不超過(guò)一個(gè)電子質(zhì)量的兩倍。這一質(zhì)量水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于希格斯玻色子為普通物質(zhì)產(chǎn)生質(zhì)量的規(guī)模--這對(duì)于該模型產(chǎn)生足夠多的希格斯玻色子以解釋宇宙中的所有暗物質(zhì)來(lái)說(shuō)是關(guān)鍵。(作為比較,已知最輕的粒子,中微子的重量不到2電子伏特,而一個(gè)質(zhì)子的重量大約為940MeV)。
該團(tuán)隊(duì)在尋找額外維度的證據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)了這些假設(shè)的引力子,一些物理學(xué)家懷疑這些引力子與觀察到的三維空間和四維時(shí)間同時(shí)存在。
在研究小組的理論中,當(dāng)引力通過(guò)額外維度傳播時(shí),它在我們的宇宙中會(huì)變成大質(zhì)量的引力子。
但是這些粒子只與普通物質(zhì)發(fā)生微弱的相互作用,而且只通過(guò)引力。這種描述與我們所知道的暗物質(zhì)極為相似,暗物質(zhì)不與光相互作用,但在宇宙中到處都能感受到引力影響。例如,這種引力影響是防止星系飛散的原因。
"大質(zhì)量引力子作為暗物質(zhì)粒子的主要優(yōu)勢(shì)是,它們只在引力上相互作用,因此它們可以逃避探測(cè)其存在的嘗試,"Cacciapaglia說(shuō)。相比之下,其他被提議的暗物質(zhì)候選者--比如弱相互作用的大質(zhì)量粒子、軸子和中微子--也可能通過(guò)它們與其他力量和場(chǎng)的非常微妙的相互作用來(lái)感受到。
大質(zhì)量引力子幾乎沒(méi)有通過(guò)引力與宇宙中的其他粒子和力量相互作用的事實(shí)提供了另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。"由于它們非常微弱的相互作用,它們衰變的速度非常慢,以至于在宇宙的壽命中保持穩(wěn)定,"Cacciapaglia說(shuō),"出于同樣的原因,它們?cè)谟钪娴呐蛎涍^(guò)程中慢慢產(chǎn)生,并在那里積累到今天。"
過(guò)去,物理學(xué)家認(rèn)為引力子是不太可能的暗物質(zhì)候選物,因?yàn)閯?chuàng)造它們的過(guò)程極其罕見。因此,引力子的產(chǎn)生率會(huì)比其他粒子低得多。
最早的恒星和星系是在大爆炸后的最初幾億年里形成的,在這幅宇宙演變圖中可以了解到過(guò)程。
但研究小組發(fā)現(xiàn),在大爆炸后的皮秒(萬(wàn)億分之一秒)內(nèi),所產(chǎn)生的這些引力子要比過(guò)去的理論所認(rèn)為的多。該研究發(fā)現(xiàn),這種增強(qiáng)足以讓大規(guī)模引力子完全解釋我們?cè)谟钪嬷袡z測(cè)到的暗物質(zhì)的數(shù)量。
Cacciapaglia說(shuō):"這種增強(qiáng)確實(shí)讓人震驚。讓我們不得不進(jìn)行許多檢查,以確保結(jié)果是正確的,因?yàn)樗鼘?dǎo)致我們考慮大質(zhì)量引力子作為潛在暗物質(zhì)候選者的方式發(fā)生了范式轉(zhuǎn)變。"
由于大質(zhì)量引力子的形成低于希格斯玻色子的能量尺度,它們擺脫了與更高能量尺度有關(guān)的不確定性,而目前的粒子物理學(xué)并不能很好地描述這些能量尺度。
該團(tuán)隊(duì)的理論將大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)等粒子加速器研究的物理學(xué)與引力物理學(xué)聯(lián)系起來(lái)。這意味著像歐洲核子研究中心的未來(lái)環(huán)形對(duì)撞機(jī)這樣的強(qiáng)大粒子加速器,應(yīng)該在2035年開始運(yùn)行,可以獵取這些潛在暗物質(zhì)粒子的證據(jù)。
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