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暗物质是什么?科学家最热衷的五种候选者!

当我们把望远镜指向太空的时候,能够看到灿烂的星空。天文学家在观察星空的变化的时候,却看到了不一样的东西。他们从星系的旋转里面发现星系需要更多的质量才能保证其不会分崩离析,宇宙大尺度结构的形成也需要额外的物质才能促成。所有这些证据表明宇宙里面存在某种特别的物质,它们不发光,也不吸收光,就像一种透明的雾霾一样分布在我们所处的宇宙里面,这就是暗物质。

然而暗物质到底是什么却让物理学家头痛。粒子物理的标准模型里面不存在这么一种粒子符合暗物质的特征,如果暗物质真是粒子的话,就只能从超出标准模型的物理理论里面去寻找,当然,这些理论都是没有经过验证的,只有实验才能对这些理论是否正确给出限制。

目前物理学家关于暗物质的本质有种种假说,每一种都有其自己的合理性。其中某些假说又特别受到关注,具体来说,目前有五种热门的暗物质候选者。

第一种是WIMP,即弱相互作用重粒子。这是最热门的候选者。如果它确实存在的话,地球上每平方厘米每秒就会有十万个WIMP穿过。正因为如此,一些实验被设计为在地球上探测这些假想的粒子。在中国四川位于地下2400米深的锦屏实验室中,清华大学领导的CDEX实验和上海交通大学领导的PandaX实验就在探测这种神秘的粒子。

第二种是轴子,这是一种非常非常轻,但是运动也非常慢的粒子。它们本来是为了解释强相互作用中的电荷宇称守恒问题而提出的,但是如果它们的质量在某个区间内的话,就是非常好的暗物质候选者。它们和普通物质有微弱的相互作用,并产生光子。如果探测到这种奇异的闪光的话,有可能证实其存在。和WIMP一样,轴子是可能在地球上进行探测的。

第三种叫做MACHO,直接翻译过来是大质量天体物理致密晕天体。它们实际上是最早被提出的暗物质候选者,其成员包括中子星,白矮星和棕矮星,这些天体都是由已知的普通物质组成的。那么我们为什么看不见它们呢?那可能是由于它们几乎不发光。观测到他们的方式是通过其产生的引力透镜效应来间接识别。不过现在科学家认为宇宙里面的MACHO不足以构成全部的暗物质。

第四种简称KK粒子(Kaluza-Klein),是由同名的物理理论所预言一种粒子。这种理论认为空间有额外的维度并且在每个时空点卷曲了起来。KK粒子的质量大约是550到650个质子那么重,它们能够和普通物质发生引力和电磁相互作用,但是由于它们藏在卷曲的额外空间维度里面,所以我们在太空中看不到它。所幸的是,它能够衰变成我们能够观测到的粒子。但是现在的大型对撞机实验还没有找到这方面的迹象。

第五种是超引力子,这是广义相对论和尚未被实验验证的超对称理论所结合的一种产物。根据超对称理论,所有的已知粒子都有其超对称的对应粒子,其自旋相差1/2。超引力子是假设中的'引力子'的超对称伙伴。在某些超对称理论当中,超引力子是最轻的超对称粒子,可能是暗物质的候选者。


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