前往宇宙黑暗另一面

宋也

也許你會注意到，課堂上，老師們手握粉筆，在黑板上書寫 “疑是銀河落九天”時，陽光照射下飄落的粉筆灰;放學后，偌大的操場上，同學們奮力一腳踢向足球后揚起的塵土……

無論是粉筆灰還是塵土，我們都可以統稱它們為物質，它們既看得見，又摸得著。但如果把所有看得見又摸得著的物質相加起來，也只占據了宇宙大約5%的組成部分。相比之下，看不見也摸不著的暗物質，對宇宙來說可能更加重要，它構成了宇宙黑暗而神秘的另一面。

神秘的星系建筑師

暗物質構成了宇宙中大約1/4的物質，并幫忙塑造出星系宏偉而壯麗的場景。然而，盡管我們費盡心力去尋找它，這位神秘的星系建筑師仍然在躲避人類的偵察。

幾十年來，我們對暗物質的所有了解都不是通過直接觀察得來的。暗物質的提出是由于科學家們在觀測夜空時，發現了一種詭異的現象：星系外圍的恒星速度比預期的速度快，甚至快到足以撕裂我們所看到的星系。科學家們在面對這種詭異現象時出現了兩種完全不一樣的觀點：有些科學家認為，是我們現今的理論出現了錯誤，所以才無法解釋這一現象;而另一些科學家認為，理論是正確的，只是我們算錯了。

我們知道，星系由星體、氣體等物質組成，它們都圍繞星系中心旋轉。根據牛頓的引力理論，恒星等物質圍繞星系中心的旋轉速度和星系的質量以及離星系中心的距離有關，距離越遠，旋轉速度應該越慢。那為什么科學家們的觀測結果，卻是距離星系中心很遠的恒星有著很快的旋轉速度呢？

在深入研究后，科學家們意識到，原來是他們算錯了星系質量，真正的星系質量應該比他們觀測到的大得多。他們認為，在壯麗星系的幕后，可能潛伏著數量龐大的無形而黑暗的物質，這種物質增加了星系的質量，星系才產生足夠的引力拉住外圍高速旋轉的恒星，星系才能維系住本身復雜的結構，這種物質被稱為“暗物質”。

暗物質一經提出，便引發了科學家們的爭論：既然暗物質真實存在，那么它究竟是什么？

全新的暗物質世界

在探索暗物質的幾十年里，弱相互作用大質量粒子（WIMP）一直是暗物質的“潛力股”。WIMP是一種仍然停留在理論階段的粒子，它具有以下幾點性質：沒有電磁作用;只通過弱力和引力產生作用（弱力是四種宇宙基本力中的一種，其余三種分別是引力、電磁力和強力），基本上不通過強力與普通物質相互作用;較大的質量;運動速度緩慢，能夠凝聚成團等。

科學家們發現，暗物質的特征和WIMP的性質極為相似。首先，它必須有相當大的質量，否則無法產生可以拉住外圍恒星的引力;一般來說，暗物質不能和電磁波發生作用，也不能發射電磁波，所以我們才不能直接觀測到它。但暗物質可以凝聚成團，成團后的暗物質質量很大，大到可以彎曲光線，而光是一種電磁波（根據愛因斯坦的理論，當物體質量大到一定程度，這個物體可以彎曲光線）。我們可以通過觀察光線是否彎曲，來判斷星系的某處是否有暗物質;最后，它不與強力發生作用，也不能和普通物質相互作用。

它之所以能成為暗物質最熱門的懷疑對象，還有著一個驚人的巧合：科學家們計算出的從早期宇宙中存活下來的弱相互作用大質量粒子數量，恰好相當于觀測結果所需的暗物質數量，這個巧合也被稱為WIMP奇跡。而且，如果WIMP是暗物質粒子的話，那么通過探測器也可以探測到它與普通物質的弱相互作用。

相似的性質、驚人的巧合和弱相互作用的可探測性，讓WIMP在科學界廣受青睞。但近年來，一些奇怪的觀測結果似乎暗示暗物質可能比這復雜得多。

首先，科學家們觀測發現，暗物質在星系內的分布似乎比WIMP模型所預測的更加均勻，現今的理論也無法解釋這一結果;其次，地球上的粒子實驗也顯示了某些異常：2016年，在匈牙利的一家核物理實驗室內，研究人員注意到，當鈹8（天然鈹的一種同位素）衰變成電子和正電子時，它們以幾乎相反的方向發射出去，這是十分異常的行為，而現今沒有一種自然力量能夠解釋它。

這些奇怪的觀測結果使得新一批的暗物質獵人將“暗物質是什么？”推向了一個新方向：暗物質由一系列新的粒子組成，這些粒子都通過一種宇宙中沒有任何東西能感覺到的隱形力量相互作用，組成了與我們熟知的世界共同存在的、平行運行的黑暗區域，黑暗區域內甚至可能形成它們自己的原子和分子，而這種隱形力量也許是宇宙的第五種基本力。至此，一個全新的暗物質世界被成功開啟。

而且在他們看來，如果這個暗物質世界可以和正常的宇宙也就是我們熟知的世界交換信息的話，必定會有一些罕見的接觸點，這些接觸點是暗物質粒子和普通物質粒子作用的“門戶”，它們應當是可以和暗物質粒子相互作用的粒子。因此，尋找這樣的粒子成為第一要務。

光明與黑暗的使者

在縮小粒子范圍、重重選拔后，科學家們確定了可能與暗物質粒子相互作用的三種粒子，它們分別是光子、希格斯玻色子和中微子。

第一種粒子是光子，和它相互作用的暗物質粒子被稱為暗光子。就像光子會攜帶電磁輻射一樣，暗光子也會攜帶暗能量，并在第五種力的作用下和黑暗區域的其他粒子相互作用。而且暗光子似乎顯得非常“合群”：它可以和任何帶電荷的物體相互作用，而且這些相互作用的強度還不小。

美國國家核物理研究所的研究人員在羅馬啟動了一臺機器，試圖窺視這種神秘的暗光子。他們將一束正電子（或反電子）射向大約100微米厚的人造鉆石晶片，然后準備觀察現象。因為正電子與普通物質作用后會釋放帶能量的光子，如果能量監測器發現釋放的能量偶爾低于正常水平時，那么有可能是產生了和光子不一樣的暗光子。

和研究人員在羅馬開啟的監測光子的機器不同的是，瑞士日內瓦的大型強子對撞機監視著另一種粒子——希格斯玻色子，也被稱為“上帝粒子”，被認為是物質的質量之源。

正如前文所說，暗物質給星系提供了質量，所以暗物質粒子肯定是帶有質量的，而希格斯玻色子則以給其他粒子提供質量而聞名。如果說希格斯玻色子是宇宙唯一的質量供應商，那么暗物質粒子一定是它的客戶，這意味著希格斯玻色子必定與暗物質粒子有著某種密切的聯系。

為了找到希格斯玻色子和暗物質粒子質量“交易”的證據，科學家們必須學會如何“看到”看不見的東西。就像人類雖然看不到風，卻能通過樹葉是否搖擺知道是否刮風一樣，科學家們可以用類似的方法尋找暗物質粒子。

事實上，由于希格斯玻色子在到達探測器之前就已經解體，科學家們只能通過追蹤希格斯玻色子衰變產生的粒子，“還原”出希格斯玻色子。如此說來，也只能通過觀察希格斯玻色子衰變后的粒子，來尋找可能的暗物質粒子了。如果希格斯玻色子衰變成某些粒子的行為出現異常，這可能就意味著一些希格斯玻色子正在悄悄地轉變成暗希格斯玻色子，或者是與暗物質粒子相互作用的另一種粒子。

第三個黑暗世界的“門戶”是已知粒子中最小、最輕，也是最不“合群”的中微子。它們幾乎不與任何物質發生反應，即便每天有幾十億個以接近光速運動著的中微子穿過你的身體，你也依然毫發無損。已知的三種中微子（電子中微子、μ中微子和τ中微子）在某種程度上能夠互相隨意轉化，它們的質量更是輕得令人難以置信。

最近，科學家發現了第四種更重的無菌中微子（也叫惰性中微子），它比其他三種中微子更難發現，并且具有暗物質粒子的特征，暗物質還能通過無菌中微子轉化為普通物質。但和光子、希格斯玻色子不同的是，它還需要另一個粒子的參與，才能和暗物質粒子相互作用。

“加入一個未知粒子讓事情變得更加復雜了。”科學家說，也許這解釋了為何科學家們更愿意相信，和光子以及希格斯玻色子對比起來，中微子和暗物質的關聯并不大。

暗物質的研究是如今最引人入勝的前沿研究領域之一，雖然我們不知道它是由什么構成的，但我們已經確定它是由某些不同于構成質子、中子和電子等普通物質的粒子組成的。接下來，科學家們依然會繼續試著解讀暗物質，直到打開黑暗世界的大門，然后看一看宇宙黑暗而怪異的另一面。