暗域：物質(zhì)宇宙中的影子世界？

謝懿

我們也許已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了不可觸碰的影子世界的線索。

到目前為止，搜尋暗物質(zhì)的科學(xué)家收獲的只有遺憾。每當(dāng)即將捕捉到這些占據(jù)宇宙物質(zhì)主導(dǎo)的粒子時，它們都會再一次從科學(xué)家的指尖悄然溜走。至今也沒有看到預(yù)期中的暗物質(zhì)信號，又或者是眼睜睜地看著曾經(jīng)一度令人興奮不已的現(xiàn)象慢慢地消失在探測器的背景噪聲中。每一次都如出一轍：勇敢出行，一無所獲，重新開始。

匈牙利科學(xué)院研究所的實驗裝置探測到了可能是超出標準型的新粒子的線索。

也許是時候做出改變了。不同于搜尋某一種的暗物質(zhì)粒子，我們興許應(yīng)該去尋找一系列形形色色的暗粒子和暗力——一個全新的“暗域”。畢竟，相比于我們所知的從電子到夸克的普通物質(zhì)形式，沒有理由認為暗物質(zhì)只有單一的種類。

這里所說的是整個的影子世界，其中的粒子之間以我們無法感知的方式——完全超越了恒星、行星和你我——來相互作用。這聽上去就像是一個堂吉訶德式的想法？也許并不是。如果暗力的蛛絲馬跡可以在實驗室中顯現(xiàn)出來，那么這個影子世界就能慢慢地浮出水面。

早在20世紀30年代，天文學(xué)家就觀測到星系團中星系運動的速度要比可見物質(zhì)的引力所能導(dǎo)致的高得多。40多年后，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)星系內(nèi)恒星的運動速度太快了。按照這個速度，要么牛頓和愛因斯坦的引力定律需要大幅修改，要么有一些不可見的物質(zhì)形式提供了額外的引力。絕大多數(shù)天文學(xué)家都青睞第二個方案——暗物質(zhì)。

無論這種物質(zhì)由什么東西構(gòu)成，它必須具有質(zhì)量，因此可以感受并施加引力，但它沒有電荷，因此不會與光發(fā)生相互作用。這一引力作用還必須非常微弱，科學(xué)家認為，暗物質(zhì)只會與普通物質(zhì)的某些成分以特定的方法發(fā)生微乎其微的相互作用，否則我們也許永遠也無法探測到它們了。

幾十年來，領(lǐng)先的候選體一直是弱相互作用大質(zhì)量粒子。但麻煩的是，一系列極其靈敏的探測器始終無法探測到它們的任何跡象。2016年7月，位于美國南達科他州的大型地下氙（LUX）實驗結(jié)束了為期2年的探測，結(jié)果仍舊是一無所獲。

不過，弱相互作用大質(zhì)量粒子還沒有真正被槍斃。一些天文學(xué)家認為，我們已經(jīng)在圍繞銀河系的暗弱矮星系中看到了它們的信號。但對其他人來說，是時候繼續(xù)前進了。歷經(jīng)數(shù)十載的搜尋，卻沒有任何發(fā)現(xiàn)，這自然會使得科學(xué)家開始思考其他的可能性。

一直以來，除了弱相互作用大質(zhì)量粒子之外，對暗物質(zhì)還有其他各種各樣的猜想，而眼下則有令人信服的理由來重新思考這些可能性。最初，通過精細測量星系的自轉(zhuǎn)，可以計算出其中暗物質(zhì)的分布。簡單的模型認為，暗物質(zhì)在星系的中心會非常密集。但是，最新的觀測顯示它們分布得更加均勻。一個解釋是在暗物質(zhì)粒子之間存在著一種獨有的相互作用力，把它們打散了。

這個力的引入可能會改變暗物質(zhì)的整個格局。一旦你開始思考暗物質(zhì)粒子之間存在相互作用力，那么你就進入了一個全新的舞臺。你可以想象出各式各樣的暗物質(zhì)粒子以及它們自身擁有的相互作用力。這將是一個全新的世界。

關(guān)于暗域的這種推測其實并不是全新的想法。早在2006年，研究子彈星團——兩個正在發(fā)生碰撞的星系團——的天文學(xué)家提出，若僅根據(jù)暗物質(zhì)和普通物質(zhì)的引力來計算，無法產(chǎn)生觀測到的這么高的碰撞速度。他們推測，暗物質(zhì)粒子間其他的相互作用力提供了所需的額外引力。

詳細的數(shù)值模擬證明，子彈星團的碰撞速度并沒有超出預(yù)期。但是，對暗力的懷疑從未就此消失。有科學(xué)家提出，地球上粒子實驗中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象也許暗示了它們的存在。例如，普通物質(zhì)介子——相當(dāng)于大質(zhì)量版的電子——的磁性在理論和實驗上存在著長期矛盾，這也許能用一種暗力的承載粒子來解釋?，F(xiàn)在，一個匈牙利的核物理實驗室可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這種粒子迄今最令人信服的證據(jù)。

匈牙利科學(xué)院核研究所的科學(xué)家測量了鈹-8的放射性衰變。鈹是一種天然的輕元素，當(dāng)它的核含有4個質(zhì)子和5個中子時是穩(wěn)定的。但若只有4個中子時，同位素鈹-8就會瞬間分裂成2氦原子核。先前的實驗已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這一特定的衰變過程存在一些異常，匈牙利的科學(xué)家想要對其進行精確的測量。

為了制造出鈹-8，他們使用質(zhì)子轟擊由鋰-7做的薄片。鈹-8會衰變，釋放出正負電子對。在標準粒子模型中，絕大多數(shù)正負電子對應(yīng)該會沿著與入射質(zhì)子束幾乎相同的方向射出。但匈牙利科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，有兩個意料之外的明顯外流，方向與預(yù)期的幾乎成直角。對此的一種解釋是，這一衰變產(chǎn)生了一個慢速運動的粒子，它的壽命很短，之后會衰變成一個電子和正電子，這兩者會沿著幾乎相反的方向運動。

當(dāng)該團隊計算出這個假想粒子的質(zhì)量時，他們發(fā)現(xiàn)它與標準模型中的任何一種粒子都不相符。相反，計算表明，它的質(zhì)量約為1 7兆電子伏特，僅為電子質(zhì)量的3 3倍，遠小于任何弱相互作用大質(zhì)量粒子。沒有已知的自然力可以創(chuàng)造出這種粒子。

對這一異常進行了3年的研究后，該團隊在2015年發(fā)表了他們的結(jié)果。他們把這一粒子稱為“暗光子”。類似于光子承載了電磁相互作用，這種粒子承載了暗物質(zhì)粒子之間的一種未知作用力。

從論文的描述來看，匈牙利團隊的實驗裝置應(yīng)該沒有問題。他們也做了很多的交叉檢查，但就是無法消除這一現(xiàn)象?，F(xiàn)在，他們已經(jīng)觀測到了數(shù)百次類似的結(jié)果。這一結(jié)果純屬偶然發(fā)生的概率只有2×10-11。不過，這篇論文并沒有引起多大的波瀾。

根據(jù)這一結(jié)果，有科學(xué)家正在尋求自己的解釋。但在這之前需要解決一個揮之不去的問題——發(fā)現(xiàn)這一新假想粒子的匈牙利團隊進行的實驗世界上絕大多數(shù)物理實驗室都可以進行，為什么此前沒有其他人注意到這一異常呢？

這一假想的暗光子以及它承載的暗物質(zhì)粒子之間的暗力，應(yīng)該也會承載一點點普通電磁相互作用。因此，它應(yīng)該偶爾會與普通物質(zhì)中的質(zhì)子和電子發(fā)生相互作用。但是，當(dāng)科學(xué)家計算出這種相互作用的強度時，問題變得更加嚴重：它不可能是暗光子。如果是的話，應(yīng)該會在其他實驗和粒子加速器中看到成百上千的其他效應(yīng)。

靈敏度極高的大型底下氙（LUX）實驗?zāi)壳斑€沒有探測到任何弱相互作用大質(zhì)

如果不是暗光子，那又會是什么呢？科學(xué)家搜尋了暗物質(zhì)粒子可能與普通物質(zhì)相互作用進而導(dǎo)致鈹衰變異常的其他途徑。他們發(fā)現(xiàn)，為了與在實驗中測得的已知自然力性質(zhì)相符，該粒子不能與質(zhì)子和電子發(fā)生相互作用，但可以與鈹原子核內(nèi)的中子相互作用。這超出了已知物理學(xué)的范疇，或許可以解釋為什么它躲過了此前的暗物質(zhì)搜尋。這一闖入者被稱為“疏質(zhì)子X 玻色子”。

并非所有人都相信在可見的物質(zhì)宇宙之外還存在一個影子世界。有物理學(xué)家就這個實驗結(jié)果和由此推測一個新粒子的存在表示了雙重懷疑。

不過，至少這個理論是可以用實驗來進行檢驗的。目前有幾個實驗可以明確地檢驗疏質(zhì)子X玻色子是否真的存在。好消息是，物理學(xué)家現(xiàn)在有了一個具體的目標，而實驗則可以確切地來對其進行測試。

事實上，證實或證否匈牙利團隊的原始結(jié)果并且尋找更多疏質(zhì)子X玻色子案例的競賽已經(jīng)開始。在美國托馬斯·杰斐遜國家加速器裝置上開展的暗光實驗已經(jīng)在疏質(zhì)子X玻色子可能的質(zhì)量范圍內(nèi)開始搜尋。位于瑞士日內(nèi)瓦附近的歐洲核子研究中心大型強子對撞機上的LHCb實驗也在夸克及其反粒子的衰變中搜尋它的蹤跡。

由于匈牙利團隊此前報告的異常在其進一步的實驗中似乎消失了，因此一些科學(xué)家對此持保留意見。當(dāng)然，也有人不為所動。畢竟，還沒有人能確定這一實驗存在弱點，也沒有人指出具體的問題出在什么地方。

無論有何疑慮，考慮到目前暗物質(zhì)搜尋毫無頭緒的現(xiàn)狀，對疏質(zhì)子X玻色子的搜尋還是值得的。科學(xué)家知道有暗物質(zhì)存在，而它無法用標準模型來解釋。對此必須要有一個解釋，標準模型也許或早或晚將會被突破，因此實驗中的每個異常都值得關(guān)注。

當(dāng)然，并非所有人都這么認為。有天體物理學(xué)家表示，雖然所有的這些想法都很有趣，但目前還沒有充分的理由來拋棄最簡單的暗物質(zhì)圖像。一個更復(fù)雜的暗域面臨的問題是，很難預(yù)言在實驗中會觀測到什么現(xiàn)象，因而對其進行檢驗的難度恐怕要遠超探測到難以捉摸的弱相互作用大質(zhì)量粒子。

但話又說回來，一個理論很復(fù)雜并不能成為判定它不正確的依據(jù)。在這方面，大自然從來沒有讓物理學(xué)家和天文學(xué)家輕松過。