神秘粒子至今仍无法找到,暗物质真的存在吗

2017-11-09 16:20:00 网易科技 分享
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  据《自然》杂志报道,物理学家在追寻暗物质的旅途中越来越沮丧,理论来说,大量且难于探测的暗物质被认为占到宇宙总质量的85%。操作当今世界上最灵敏暗物质探测器的科学团队报告称,他们没能找到这种粒子,长时间一无所获的探测对物理学家此前的理论提出挑战。

(科学家正在XENON1T设备上工作,XENON1T是当今世界最灵敏的暗物质实验设备。图:XENON Collaboration)

  10月30日,位于意大利格兰萨索国家实验室的XENON1T研究人员发表最新的研究报告,持续了30多年的暗物质追寻之旅仍然毫无进展。中国暗物质研究人员在同一天发表研究报告,同样是空手而归。欧洲核子研究中心(CERN)使用太空望远镜进行的尝试也未发现任何暗物质粒子的踪影。

  研究人员难以对这一结果进行解释。 “我们对宇宙在更深层面上如何运作并不了解。”俄亥俄州凯斯西储大学天体物理学家史黛西·麦高(Stacy McGaugh)说。

  自20世纪80年代以来,物理学家们已普遍接受了暗物质的存在,这一理论能够很好解释为何在质量巨大和高速旋转的前提下,星系还能保持完整而不是四散开来。研究人员推测,隐形的暗物质充斥在星系之中并维持其稳定。当暗物质理论成功预测到宇宙微波背景辐射(CMB)的扰动时,物理学家更加坚定了对该理论的信心。

  基于这些观测结果,科学家在20世纪80年代提出,暗物质可能由“大质量弱相互作用粒子”(Weakly interacting massive particles,简称WIMP)组成。这一假设与物理学家对宇宙的演化假说相吻合。另外,WIMP的独特性质也能对应上粒子物理中的超对称预测。

  最新一轮的实验结果似乎排除了最为简洁、优雅的超对称假说,让人们怀疑这种粒子是否就是神秘的暗物质。科学家们认为,如果简单的超对称假说无法成立,那么任何WIMP粒子同其他物质间的相互作用更将更加微不可测。“这不是WIMP范式的大撤退,但这确实是重心上的转变。”伊利诺伊州费米国立加速器实验室的物理学家丹·霍珀(Dan Hooper)说。

  作为WIMP模型的早期支持者,普林斯顿大学理论天体物理学家大卫·斯佩格(David Spergel)表示,学界的态度正在转变,越来越多的物理学家尝试对暗物质进行其他解释。“这些实验并没完全将暗物质关在窗外。然而,我们也需要考虑其他类型的暗物质解释和新的实验。”他说。

  专用探测器

  人类花费数十年时间建造验证WIMP理论的实验设备,但在最近的十年,才达到足够的实验精度。世界上最敏感的探测器便是位于意大利格兰萨索的XENON1T,XENON1T使用光电倍增管记录暗物质粒子和氙原子碰撞时产生的闪光。不过,虽然XENON1T实验组进行了很多实验,却没怎么报道过暗物质。位于中国四川锦屏的PandaX二期实验进行了两年,同样未搜集到任何数据。在宇宙空间进行的尝试也没找到WIMP。NASA的费米望远镜从银河系的中央位置发现γ-射線信号,一度被认为是揭开了暗物质的真身,可惜至今未有定论。在格兰萨索发表的所有报告中,有一次似乎是探测到暗物质,但没有其他团队能够重复这个极具争议的实验结果。新的实验仍在进行。

  与XENON1T运作原理相同的下一代探测器已经在开发,如果物理学家最终放弃WIMP理论,新探测器将会派上那用场。霍珀称,目标粒子久久未能发现让理论学家放开思路,也让其他的假说有机会得到重视。或许暗物质是由奇异的轴子所组成,这种粒子与光子有相似之处。有物理学家也在研究是否暗物质与普通物质之间根本不存在相互作用,而只是超然地存在于“隐形的区域”。

  对于那些从一开始就认定“暗物质”是无稽之谈的物理学家而言,WIMP实验迟迟未有结果反而让他们鼓舞。“我希望人们能够变得更开放,”麦高说道。他曾研究一种新的引力理论,无须引入暗物质也可成立。不过,霍珀也强调,未能发现WIMP并不能影响到暗物质的地位,他坚信后者终究会被找到。“我不担心可能性,只不过这应该会非常非常艰难。”他说。

责编:黎晓珊