宇宙中无处不在的暗物质

图片说明:暗物质是由一种'隐形'介子构成，也是一种由夸克和反夸克(构成物质的基本粒子)组成的粒子。图片来源：MichaelTaylor/Shutterstock.com

1915年，爱因斯坦根据相对论得出推论：宇宙的形状取决于宇宙质量的多少。但是，迄今可观测到的宇宙密度却只是预期值的1/100。也就是说，宇宙中的大多数物质都“失踪”了，科学家将这种“失踪”的物质叫做“暗物质”（Dark Matter）。暗物质是一种比电子和光子还要小的物质，是宇宙的重要组成部分。宇宙学家认为宇宙中大约85%的物质都由暗物质组成，但是人类可见的暗物质仅占宇宙总物质量的约5%。

暗物质与宇宙中其他物质一样，都是以重力的形式存在于宇宙之中。由于暗物质不带电荷，不产生电磁反应（人们能够站在地上的原因是因为脚上的原子与地面的原子互相排斥），因此如果将暗物质倒进桶中,它便会从桶底穿过。此外，暗物质也不反射或吸收光，这也是人们不能看见它们的原因之一。虽然暗物质无法被直接观测到，但是它能干扰星体发出的光波或引力，因此科学家们可以通过观测星系的旋转变化探测到它们的存在。后来，科学家们利用引力透镜效应（光线在重力场中发生弯曲而形成多个图像，类似凸透镜的汇聚效应）对暗物质的引力进行探测，发现宇宙中存在着数量庞大的暗物质，由此构成了规模巨大的隐形星系团。

关于暗物质的种种假设

20世纪30年代，荷兰科学家Jan Oort与瑞士天文学家Fritz Zwicky等人首次推断暗物质存在于宇宙之中。长久以来，科学家们对于暗物质的构成进行了种种假设。大多数理论认为暗物质是由弱作用重粒子（weak interacting massive particle，WIMP)构成，这些粒子之间的相互作用非常弱，因此它们在彼此之间穿梭的过程中仅会发生轻微的接触。还有一些理论则认为,暗物质是由一种非常轻的中性粒子——轴子构成。轴子是在地球实验室中尚未探测到的一种假想基本粒子，由于轴子间的相互作用也极其微弱，从而无法处于热平衡状态，但是利用它可以解决一些关于粒子物理标准模型的未知问题。

根据最新的一项研究，科学家们推测，暗物质可能由“隐形”介子构成。介子是一种由夸克和反夸克组成的粒子，中性介子穿梭在质子和中子之间，然后与两者结合共同形成原子核。该项研究的主要研究人员Yonit Hochberg指出，“隐形”介子是一种强作用重粒子（strongly interacting massive particle， SIMP），相互之间能够产生很强的作用力。当粒子相互接触时,其中一部分粒子会湮灭成正常物质。而为了湮灭成正常物质，粒子必须以“3变2”的模式进行碰撞，即3个暗物质粒子进行碰撞，形成2个正常介子。一些暗物质（如夸克）在进行相互碰撞之后会形成正常物质，而剩余的一部分暗物质则仍然残留于物质世界中。

这种新的理论说明，在早期的宇宙世界中，介子会发生碰撞，使暗物质数量减少。然而随着宇宙的膨胀，粒子间的相互作用力变弱，碰撞几率也越来越小。粒子间的相互作用在本质上与带电介子具有一定的相似性。带电介子由一个上夸克和反下夸克粒子（夸克有六种类型：上夸克、下夸克、顶夸克、底夸克、粲夸克、奇夸克）构成，也可能由一个下夸克和反上夸克构成，而中性介子由一个上夸克和反上夸克构成，或者由一个下夸克和反下夸克构成。

暗物质介子与矮星系

加州大学伯克利分校的物理学教授Hitoshi Murayama指出，新的假设将有助于科学家们进一步研究某些矮星系的密度。然而，伊利诺伊州费米国家加速器实验室（Fermi National Accelerator Laboratory）的科学家Dan Hooper则认为，目前人类已经可以通过气体加热来测量矮星系的密度，因此利用暗物质来解决矮星系难题完全没有必要。

一部分科学家认为，奇异的新“暗介子”属于暗物质；而另一部分科学家则认为，“暗介子”是不同于暗物质的其他物质。至于哪一种观点正确，也许只有大型强子对撞机能够判断。大型强子对撞机通过将原子核（通常是氢，有时也是质量更重的元素铅）以接近光速的速度进行加速对撞，从而在产生巨大能量的同时散射出新的粒子。

美国康奈尔大学（Cornell University）的博士后研究员Kuflik 指出，如果粒子在碰撞的过程中有部分质能神秘地“消失”了，那么这很可能就是寻找暗物质的突破点。由于物质世界中的质量和能量是守恒的，如果粒子碰撞后产生的质量和能量与碰撞前有所不同，那么这就意味着很有可能某个未知的粒子没有被检测到。

除了大型强子对撞击，科学家们还可以利用由液态氙（xiān）或锗（zhě）制成的探测器来追踪暗物质粒子。在探测器运行过程中，电子在通过暗物质粒子时有可能会被原子击中。然而尽管如此，美国南达科塔州（South Dakota）的大型地下氙探测器实验项目（Large Underground Xenon，LUX)已经展示出了其粒子探测的巨大潜力。尽管目前该项目在探测暗物质粒子方面还没有任何进展（其主要对象是弱作用大质量粒子），但是在接下来的探测活动中它也许能够为探测暗物质粒子做出重大贡献。（科学之家，译审/编辑：AJ Chen）

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