尋找暗物質粒子

隨著暗物質的發現，尋找組成暗物質的粒子成了物理學家最迫切的任務之一。那麼在這個領域，這些年來有何進展呢？

2007年12月26日凌晨3:30，麥克默多，南極。

負責釋放科學實驗氣球的工作人員在零下40多度的氣溫下徹夜未眠，等待著風力減退。最後總算天從人願，充著上百萬立方米氦氣的大氣球終於升空了。氣球上搭載有科學儀器，科學家要用它來開展宇宙線實驗。

在隨後的19天里，氣球在南極上空飄了一圈，收集了大量數據。經過緊張處理，一年之後，實驗人員宣布了一條重大消息：他們探測到高能電子比預期的要多。這個結果聽起來似乎沒什麼，但在內行人的眼裡卻意義重大，這些高能電子或許正是「神龍見首不見尾」的暗物質向我們泄露的蛛絲馬跡。

捕捉到了

暗物質粒子的行蹤

暗物質是天文學上的後來者，這種不可見的物質被認為占宇宙中物質總量的80%以上。它好比宇宙的「腳手架」，沒有它的引力，星系和星系團就會四散飛離。可是除了引力，它跟普通物質幾乎沒有相互作用，因此組成暗物質的是什麼粒子，在科學上一直是個謎。目前可以肯定的是，暗物質粒子大概只參與弱力和引力作用，而且具有較大的質量。物理學家一般籠統地稱其為「弱相互作用大質量粒子（英文縮寫WIMP）」。

但事實上，滿足這兩個特徵的粒子理論上不止一種。因此，物理學家的任務就是結合實驗，把真正的暗物質粒子篩選出來。沒有比這件事更艱難和撲朔迷離的了。

早在1990年代，搭載於美國「發現號」太空梭上的磁譜儀就在太空中探測到比預期更多的正電子，此後，搭載於高空氣球上的反物質探測器也觀察到了同樣現象。但由於這些實驗誤差太大，人們還不敢確認這一結果是否屬實。

就在科學家進行南極實驗之前幾個月，義大利的一個研究小組報道說，他們在基於人造衛星的實驗中也發現了比預期要多的高能電子。後兩次實驗相當精確，因此看來結果已經不再含糊。天體物理學家長久以來一直努力從不涉及暗物質的尋常途徑來解釋這些多出的正負電子。如果尋常途徑解釋不通，那麼最大的可能是它們來自WIMP粒子的湮滅。

按照理論家的設想，這種WIMP粒子的質量是質子的600到1000倍，不論它們在何處大量積聚，都會因相互碰撞而湮滅，釋放出像正負電子和質子之類的普通粒子。這些次生的粒子很容易跟宇宙線與星際塵埃碰撞時產生的粒子混在一起，使我們難以辨認它們究竟來自暗物質還是來自宇宙線。

誰是暗物質粒子？

如今，事情是如此激動人心。但當人們試圖辨別這種WIMP粒子是什麼粒子的時候，卻陷入了困境。

原來，自1980年代以來，WIMP的首選粒子是「中性微子」——一種理論上假想的穩定粒子。這種粒子，物理學家一開始並不是為了暗物質，而是為了修正粒子物理的標準模型而提出來的。它質量足夠大，與普通物質只有弱相互作用，這一切剛好符合暗物質粒子的條件，而最重要的是，它在早期宇宙中的密度剛好可以解釋我們今天觀察到的暗物質分布。

然而，上述幾個實驗的結果卻對暗物質粒子給出了額外的限制條件，而中性微子似乎滿足不了這個條件。根據物理學家對中性微子的理解，它們湮滅時產生少量的高能電子和大量的低能電子。可是上述實驗觀察到的卻相反：高能電子比低能電子要多得多。此外，中性微子湮滅按理應該還要產生正反質子，但實驗中卻沒有觀察到。這些證據不得不把中性微子排除在外。

於是人們現在傾向於另一種暗物質粒子候選者，這種粒子叫「卡魯扎-克萊因」粒子。它最初是在1930年代提出來的。當時，德國物理學家卡魯扎和克萊因為了統一引力和電磁力，假想存在空間的額外維度，而卡魯扎-克萊因粒子就是這一理論的副產品。

根據卡魯扎-克萊因的理論，像電子這類已知的粒子，當它們進入蜷縮的、隱藏起來的空間額外維度時，會以不同的速度運動。在額外維度運動的能量在我們這個世界表現為質量。所以，一個在更高維度運動的電子在我們看來就變成了更重的卡魯扎-克萊因電子。這些重粒子是短壽命的，會衰變為較輕的粒子，而它衰變的產物正好具有暗物質的性質。

卡魯扎-克萊因粒子還有另外一個迷人之處。當它們相互碰撞並湮滅時，就轉化為正負電子或者正反μ子，而這些粒子的能量剛好與上述幾個實驗的結果相符合。

如果科學家能夠證明卡魯扎-克萊因粒子存在，那麼他們不僅解決了暗物質難題，還將證實空間除了上下、左右、前後等維度外，還存在更高的維度。這真是一箭雙鵰的大好事。

我們身邊隱藏著

一個暗世界？

宇宙除了可能具有更高維度，暗物質或許還告訴我們，宇宙比我們想像的還要奇怪。

事情還得追溯到2002年。這一年歐洲宇航局發射的伽馬射線衛星在銀河系中探測到能量為511KeV的光子。經過認真排查，它們看來不像來自尋常的天體。

難道這些光子也來自暗物質？美國哈佛大學的一位物理學家經過計算表明，如果WIMP粒子在相互碰撞時能進入一個激發態，那麼它們回到基態時，就可以發射出511KeV的光子。

但是要想讓上述計算成立，必須假設WIMP粒子通過一種新的相互作用力作用。日常的作用力，像電磁力是靠光子在電荷間彼此傳遞的。同樣的道理，新的力也需要一種假想的粒子在WIMP之間傳遞，這種粒子的質量與質子相近。

暗物質，暗物質粒子，暗相互作用力，傳遞暗相互作用力的粒子……看來已經具備了一個獨立的隱世界的所有條件了。這個隱世界可能與我們這個可見的世界一樣複雜，甚至與我們比鄰而居，只是因它與我們這個世界很少交流（即相互作用），我們才覺察不到它。

引入暗作用力甚至還可以把目前所有有關暗物質的實驗結果給統一起來。比如說，假設WIMP粒子之間存在暗相互作用，那湮滅的概率就提高了100至1000倍（好比引力的存在提高了天體之間碰撞的概率一樣），這樣一來正好可以解釋本文最初提到的實驗結果，因為要是湮滅概率太低，我們就很可能觀察不到湮滅產生的高能電子。

計算還表明，當WIMP粒子湮滅時，還會產生傳遞暗相互作用力的粒子，而後這些粒子將發生衰變。因為它們的質量差不多與質子相等，要衰變成質子和反質子顯得太輕了，所以只能衰變成更輕的電子和正電子了。這或許就是我們為什麼探測到的正負電子比預期的要多，而又探測不到正反質子的原因。

粒子能態

根據量子力學理論，電子在繞原子核運動的時候，它們只能在特定的、分立的軌道上運動，各個軌道上的電子具有分立的能量，這些能量狀態就稱為能態。其中能量最低的狀態叫基態，其餘的叫激發態。基態只有一個，激發態可以有很多個。電子從高能態跳到低能態時，要發射光子。這些光子的能量一般以KeV來衡量。1KeV相當於一個電子經過1千伏的電場加速後所獲得的能量。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！