重子物質：熟悉的陌生人

謝懿

如果暗物質是喬裝改扮的普通物質，又會怎么樣？

它們是物質，但不是我們所知的物質。2015年7月，一個不速之客出現在位于瑞士日內瓦附近歐洲核子研究中心的大型強子對撞機中。這種奇特的粒子名曰五夸克，代表了一種構建物質基本組成要件的全新方式。雖然它早就為理論所預言，但此前一直沒有發現其存在的確鑿證據。

這件事情對格倫·斯塔克曼來說絕對是一個天大的好消息。作為美國凱斯西儲大學的一名理論物理學家，斯塔克曼有一個大膽的想法：宇宙中還存在有待發現的更為奇特的普通物質形式。從挖掘封存在引力波探測器中的數據，到搜尋古老的礦物，再到去月球上放置月震儀，他大膽地建議通過各種手段來尋找這些另類物質的蛛絲馬跡。他甚至認為，這些有著特殊構成的普通物質可以解決我們這個時代最大的宇宙謎團之一——暗物質。

從很久以前開始，當物理學家面對難題的時候，常常會“發明”出超出當時已知的粒子來作為問題的答案。諾貝爾獎獲得者沃爾夫岡·泡利正是這一做法的首創者之一。他在1930年提出，在某些實驗中缺失的能量是被一種逃逸出去且難以捉摸的粒子帶走了。泡利對自己的這一“發明”并不滿意。“我做了一件可怕的事情，”他說，“我假定了一種無法被探測到的粒子。”不過，他其實大可不必擔心——1956年，我們就已經發現了這種粒子，現在被稱為中微子。

從那時起，物理學家便一直忙于“發明”各種各樣的粒子，并在這個過程中建立起了標準模型——對粒子及其相互作用的最完整描述。2012年發現的希格斯玻色子給了標準模型至高無上的榮耀，它可以解釋粒子為什么具有質量。

但標準模型也令物理學家感到不悅。它的數學結構顯得有點零碎，仍包含很多空白，尤其是不能解釋暗物質。暗物質占據了宇宙中物質成分的85%，但它們既不吸收也不發出光線，與其他物質只有極其微弱的相互作用。

面對這一謎題，物理學家遵循傳統，“發明”出了暗物質粒子各式各樣的候選體，從質量較小的弱相互作用大質量粒子到會衰變的超重暗物質粒子，但至今無一被確認。超對稱性預言所有已知粒子都有一個質量更大的超伙伴粒子，到目前也一無所獲。

沿著這條路你會發現，在某個地方“發明”新粒子這一萬金油似乎也失效了。這使得斯塔克曼得出了一個具有挑釁性的結論。“你看，標準模型在實驗上是成功的，”他說，“因此，我們需要克服的僅僅是關于它的哲學和美學問題。”與不斷地“發明”粒子不同，斯塔克曼認為，我們需要更加審慎地看待已經知道的事物，也許已有的粒子就能解決這些問題。

研究人員用大型強子對撞機發現了一種被稱為五夸克的新粒子。這幅圖顯示了五夸克粒子中夸克分布的一種可能。

要形成我們周遭的物質，基本粒子必須要以一定的配置聚集到一起。例如，3個夸克結合在一起便形成了重子;構成原子核的質子和中子都由3個夸克組成（質子含有2個上夸克和1個下夸克，中子含有1個上夸克和2個下夸克）;上、下夸克是6種夸克中質量最輕的。我們還知道一種夸克和反夸克的短命組合，被稱為介子。

不過，夸克本身就很古怪。由于把它們束縛在一起的強核力的特殊屬性，它們無法自由地出現。當夸克之間的距離較小時，強核力較弱。但當這個距離增大時，這個力就會變強，把夸克拉回到一起。強核力的另一個奇特性質在于它在高能量下會變弱，例如在大型強子對撞機中粒子碰撞時。物理學家可以計算出在這些高能量下夸克是如何相互作用的，但低能量下把夸克束縛在一起強核力會變強。其結果是，物理學家仍然很難解釋夸克是如何構成介子和重子的，因為這一過程發生在較低的能量下。

這一不確定性使得有些科學家提出物質可能還存在其他組成形式的觀點。早在20世紀80年代，美國普林斯頓大學的數學物理學家愛德華·威滕就提出，以不尋常的方式，輕夸克可以結合成較重的夸克，例如奇異夸克。

不同于普通物質，夸克的這些組合不會形成原子核。相反，它們會發育壯大，在一個狹小的空間中越聚越多。威滕稱它們為“夸克金塊”。此后，英國倫敦大學學院的理論物理學家布萊恩·林恩和其他人將其推廣，提出了“奇異重子物質”和“手性滴”的概念。

五夸克的另一種可能的布局方式，顯示了一個介子（由一個夸克和一個反夸克組成），以及由三個夸克弱鍵組合成的重子。

不像我們在普通物質的原子核里所見的那樣，由這些已知基本粒子構成的這類奇特團塊不會占據碩大的空間。這使得它們致密得像中子星，一茶匙就重如一座大山。因此，即使它們的質量非常大，但它們的尺寸也能夠很微小。一些科學家將它們稱為“宏子”macro），用來表征它們的質量在千克或噸的宏觀水平上，而非用于基本粒子的微觀單位。

由于宏子完全由核物質構成，沒有任何繞轉的電子或空隙，因此無法維持核聚變，也就不能發光。這些團塊的高密度也使得它們不太可能與入射的光發生相互作用。總之，宏子身材較小、質量巨大，即便不是完全不可見，也極難被探測到。

探測宏子

這聽起來就像是暗物質的完美解釋。但物理學家以前并不看好這個想法，原因有二。首先，即便宏子是質量和太陽、褐矮星或黑洞相當的致密天體，想要解釋暗物質，它們的數量也必須遠遠超過可見的恒星。如果是這樣的話，宏子會頻繁地從恒星發出到達地球的光線，這一現象被稱為引力透鏡。但我們觀測到的光線彎曲事件的數目遠遠達不到這一程度，只能用我們熟悉的普通物質天體來解釋。其次，我們已經知道，如果核物質分布于貫穿整個宇宙的一個薄層中，它們會和其他物質發生相互作用，阻礙星系的形成。

不過，當斯塔克曼和他的同事仔細研究后發現，宏子其實不必這么大，進而降低導致引力透鏡的頻次，也不必分布得這么薄，進而避免和任何物質發生相互作用。聚集形成中等尺度——既不太大，也不太小——的規模就可以與現有的宇宙學觀測相符。

考慮到這一點，斯塔克曼和他的同事已開始尋找這些中型宏子存在的證據。“這幾乎是我們應該做的最傻但又絕對是最明顯的事情。”斯塔克曼的合作者、南非開普敦大學的戴維·雅各布斯說。

他們開始試圖搞清楚在其允許質量的最低端的宏子是否有可能已經留下了一些蛛絲馬跡。這意味著重新審視美國加州大學伯克利分校物理學家保羅·比福德·普賴斯的工作，他早在20世紀80年代便在地殼中搜尋過大質量粒子的跡象。普賴斯認為，較重的弱相互作用粒子會時不時地撞擊深埋地下的云母礦物晶格。但他在大英博物館和史密森學會收集的樣本中并沒有發現任何痕跡。

20世紀70年代，科學家在天空實驗室空間站上安裝了聚碳酸酯塑料片，希望能發現粒子穿過這些塑料時留下的痕跡。具體來說，當時是在尋找低能量的宇宙射線粒子。斯塔克曼計算發現，宏子也有可能混在這些物質中，但對天空實驗室塑料片的重新檢查并沒有找到任何與之有關的跡象。

然后是“鸚鵡螺”實驗裝置，它位于意大利羅馬附近，從20世紀90年代開始一直在搜尋引力波。它由一個2噸重的超低溫冷卻鋁制圓柱體組成，探測裝置密切監測它，看它是否存在因有引力波穿過拉伸時空所導致的柱體形變。斯塔克曼、雅各布斯和同在開普敦大學的阿曼達·韋爾特曼計算發現，若有宏子穿過這個探測器，就會和其中的鋁發生相互作用，由此釋放出的能量會使得柱體被加熱并發生非常輕微的形變。但可惜的是，他們并沒有發現宏子的跡象。

這些實驗的一無所獲讓斯塔克曼進一步限制了宏子質量的范圍，但這個范圍依然很大，從大約50克到珠穆朗瑪峰的質量不等。

現在是時候提出進一步的實驗來縮小這一范圍了。雅各布斯希望，用于研究鯨或者探測非法核武器試驗的水下測音器也許能聽到宏子穿過海洋時引發的振動。他還計劃使用宇宙射線探測器的數據。這些探測器被設計來探測外太空的質子或輕原子核撞擊上層大氣所導致的粒子簇射。如果宏子和地球大氣發生相互作用，會產生特有的光信號，但宇宙射線探測器上并沒有可以探測天空中這些信號的程序。斯塔克曼正試圖說服位于阿根廷的皮埃爾·奧熱天文臺改編它的探測器程序。

最好的辦法是在距離地球稍有點遠的地方：月球。1972年，當最后一批“阿波羅”宇航員離開月球時，他們留下了一個由四個月震儀組成的網絡。在接下去的5年中，這些設備記錄了數千次由隕星撞擊、潮汐或者是月殼因溫度差異膨脹所造成的月震事件。很顯然，雖然比地球上的少得多——因為地球有不斷移動的板塊和流動的巖漿，但月震也很活躍。這些月震數據有可能揭示出宏子的存在。

將鸚鵡螺引力波探測器從低溫恒溫器中提取出并進行升級

BkadfiTBeJPJkuPk6c1b5oEkvo6Dyp0BMJ84Wy9FLmk=“阿波羅”正在月面上放置月震儀

2002年，科學家在地球地震數據中發現了宏子的疑似信號，但最后仍是一場虛驚，原因是地震儀的時鐘出現了偏差。現在，斯塔克曼及其同事想利用相對安靜的月球環境，來探測當一個中等質量的宏子穿過月球時所引發的一系列呈線形分布的月震。

安放在月球上的地震儀相當簡陋，但行星地質學家正在計劃把更好的儀器送往那里。美國航空航天局噴氣推進實驗室的布魯斯·本內特及其同事已為月球上更靈敏的月震探測網制訂了方案，并為將于2016年發射的“洞悉”火星任務建造了一臺。“我不知道一臺地震儀要多靈敏，直到我必須去造一臺。”他說。他的火星地震儀非常靈敏，可以精確測定震源的位置，誤差大約只有一個氫原子半徑那么大，足以發現途經的宏子。

去這些極端的環境捕捉“阿波羅”正在月面上放置月震儀皮埃爾·奧熱天文臺的一個監測站來自外太空的宏子是否真的值得呢？由于難以計算它們的行為，因此科學家仍無法確定宏子是否能大量形成來充當暗物質，也不清楚它們是否能穩定地聚集在一起。

這還不是唯一的問題。“我看不出如何才能把它融入更大的圖像中，”美國麻省理工學院的理論物理學家弗蘭克·韋爾切克說，“這些東西要如何才能形成？”他還提出，如果宏子真的存在，形成它們所需的能量可能會比形成普通核物質所需的能量更少。這就帶來了一個問題：為什么我們周圍有這么多的普通物質。

放眼低能標

更重要的是，暗物質的概念并不是偶然提出的。韋爾切克補充道：“如果被證明是錯誤的，那我會很失望。畢竟，它從邏輯上源于我們試圖完善基本理論，并且看上去是那么充滿希望。”

英國諾丁漢大學的宇宙學家安妮·格林則更加務實。“宏子也許不及弱相互作用大質量粒子或者其他的暗物質候選粒子那樣在理論上有很強的動機，但也絕非不可能。”她說，“在現有的天體物理和宇宙學數據中尋找宏子的跡象，毫無疑問是值得期待的。”

宏子的發現肯定會引發巨大的轟動。作為開始，這將意味著此前物理學家“發明”并極力尋找的各種各樣的奇異粒子根本就不存在。“如果我們是正確的，那么這意味著大型強子對撞機不會探測到暗物質的候選體。”雅各布斯說。

目前還沒有人叫停這些搜索工作。但是，與對撞機追求越來越高的粒子撞擊能量不同，也許我們應該在能量較低的夸克上尋找答案，以便更好地了解核物質的特性。我們最終可能發現，我們熟知并鐘愛的普通基本粒子也能夠以一些特殊的方式聚集到一起，我們熟悉的重子物質也能變得很奇特。

皮埃爾·奧熱天文臺的一個監測站