也許暗物質就在眼皮底下，而我們卻視而不見

NASA / ESA

標準模型預測的所有粒子都已經被直接探測到。在標準模型中，存在著六種夸克和反夸克、三種帶電輕子（電子、μ子、τ子）及與它們相對應的中微子、六種反輕子、八種膠子、三種重矢量玻色子、光子和希格斯玻色子。

儘管這個理論模型如此成功，儘管實驗粒子物理如此成功，宇宙中仍然存在著很多未解之謎，而且其中兩個謎團之間可能存在著關聯。

一大謎團是所謂的暗物質。宇宙中我們所知的物質——光子輻射、夸克構成的普通物質、膠子和電子，以及極少數由中微子構成的熱暗物質，它們都包括在標準模型內。但是假如我們把所有的它們加起來，然後進行模擬，最後得到的宇宙和我們現在這個是完全不同的。星系難以出現，恆星的誕生會把星系撕裂，重元素會被拋出星系，岩石行星永遠也無法形成，宇宙的大尺度結構看起來會和今天極為不同。

Chris Blake / Sam Moorfield

宇宙微波背景中存在的漲落，小尺度和大尺度上的星系集結，星系異常的自轉速度，星系團的引力透鏡現象，都要求在標準模型的預言中加入另外一種物質——也就是所謂的暗物質，才能使我們今天所見所知的這個宇宙得以存在。這種暗物質的丰度必須達到普通物質總量的五倍左右，它的含量必須是巨大的，它必須能夠聚集在一起，它的運動速度必須比光速慢。所有間接證據都指向暗物質的存在，但我們還從未直接檢測到它過。但要知道它究竟是什麼，我們必須這麼做。

大尺度宇宙中的暗物質密度分布，疊加了氣體速度場。Illustris

另一個謎團是中微子的質量。標準模型中的粒子要麼是完全沒有質量的（比如光子或膠子），要麼擁有顯著的質量。最輕的粒子，如電子的質量大約是51.1萬電子伏，而最重的如頂夸克質量大約是1750億電子伏。

一直以來，中微子都被認為是沒有質量的。但最新的實驗結果表明，三種中微子——電子中微子、μ子中微子、τ子中微子擁有極小但非零的質量，它們的質量在毫電子伏的尺度上，大約相當於電子質量的千萬分之一。

而這對於一種我們原本預測它沒有質量的粒子來說，成了個大問題。這個問題不但在於它們為什麼有質量，更在於它們的質量為何如此之小？針對這個問題，有一個觀點較為流行。這個觀點其實最早是1970年晚期的一批科學家提出的。它認為，中微子的質量就像一個翹翹板。我們所見的中微子都在翹翹板的左邊，都是左旋的，也就是說如果我們面對它們運動的方向，它們的自旋方式都是向左的。那麼同樣的道理，存在於這個翹翹板右手邊的應當是一種右旋的中微子。

如果我們假設在大自然中存在一個非常大的質量尺度，如大統一尺度，那麼中微子（無論是左旋還是右旋）都應該和其它標準模型粒子一樣擁有一個「正常」的質量，這樣它們才能在翹翹板上保持平衡。但是假如質量偏向於翹翹板的一側，它們就會非常不同——左旋中微子非常輕，而右旋中微子會變得非常之重。

這是對中微子振蕩方式，以及對中微子質量為何如此微小的解釋之一。而對於暗物質是什麼，除了超對稱假設、額外的維度、軸子等離奇的方案外，還存在一種有趣的可能：這些超重的右旋中微子可能就是暗物質！這些中微子的質量可能並不和其它中微子處於相同的區間，也不和其它標準模型粒子擁有相同的區間，而是非常之重——它們的質量可達其它標準模型粒子的幾十億甚至上萬億倍。因此，這種暗物質的候選者有一個有趣的外號：「弱互作用重粒子哥斯拉（WIMPzillas）」。

這種可能性的非凡之處在於，它出自已知的物理學，它所解釋的問題——中微子的質量——也還沒有其它好的替代方案。理論物理學中，不同的領域之間為未解之謎相互提供解決方案，會產生巨大的推進作用。而這是一隻未受重視的暗物質「哥斯拉」。如果得到證實，那宇宙中失落的所有質量都可以得到解釋，今天宇宙中存在的星系、星系團和大尺度宇宙結構都可以得到解釋。

尋找暗物質，不僅要著眼於小處，更要有大視野！

Ethan Siegel 文 / 老孫 譯

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