暗物質：換了個馬甲的普通物質？
夸克的奇異組合
我們知道，夸克是一種基本粒子，是構成物質的基本單元，夸克的不同組合形成了各種複合粒子，比如重子，其中比較有名的就是中子和質子，都包含三個夸克。另外，一個夸克和一個反夸克可以構成一個比較短命的粒子，叫做介子。
除此之外，根據理論預測，夸克還可以組成更多種類的複合粒子。2015年7月，一種由5個夸克構成的新的複合粒子就意外地現身於歐洲的大型強子對撞機，這種粒子叫做「五夸克粒子」。這個重大突破意味著，應該有更多奇特的夸克組合方式正等著我們來發現。
為什麼要這麼說呢？因為夸克是個古怪的傢伙，把夸克結合在一起的強核力很怪異。例如，當夸克之間的距離較小時，強核力會很弱。但如果距離增大，那麼強核力就會變強，並把夸克往回拉，所以，夸克從來都不會單獨地存在。強核力的另一種怪異的性質，是當夸克處在高能量時，例如在大型強子對撞機里發生碰撞時，強核力反而會變弱。物理學家可以很容易地計算出處在高能量時夸克之間是如何發生相互作用的，但是計算低能量時的情況卻是一件困難的事情。到現在，物理學家都還沒有搞清楚夸克究竟如何構成重子和介子的，而這些都屬於低能量的情況。
對低能量的情況的不了解，導致一些物理學家推測夸克可能會組合成很多種類的複合粒子，比如四夸克粒子和五夸克粒子等等。
抱成團兒的夸克塊
上個世紀80年代初期，美國普林斯頓大學的物理學家愛德華·威滕還預言了一種更奇怪的夸克組合。他認為，輕質量的夸克可以和重質量的夸克組合在一起，構成一種新的複合粒子。但不像質子和中子那樣，這種新的複合粒子無法成為原子核的一部分。不過，它們可以聚合起來，形成一種質量很大的無特定結構的粒子團。威滕把它們稱為「夸克塊」。
在普通物質里，原子核之間有著巨大的空隙。而夸克塊內部是沒有大空隙的，裡面是一堆緊緊擠在一起的夸克。這使得夸克塊的密度與一顆中子星相當，一勺這樣的物質的質量差不多相當於地球上的一座大山。儘管密度很大，物理學家認為夸克塊的個頭應該是很微小的。一些物理學家把夸克塊稱為「宏粒子」，這是因為衡量它們的質量需要使用千克或噸這樣的質量單位。
而且，宏粒子完全是由一堆夸克構成的，裡面沒有任何電子以及空隙，所以它們不能夠進行聚變，也不會產生光。高密度也使得它們不太可能與入射光發生作用。簡而言之，宏粒子密度很大，但個頭很小，如果不是完全不見的話，它們也是很難被發現的。
暗物質其實就是夸克塊？
當威騰預言出宏粒子的存在時，就有科學家認為，宏粒子很可能就是科學家久尋不著的暗物質，因為暗物質正好是一種無法被發現的物質。
暗物質大約佔了宇宙中所有物質的85%，但它既不吸收光線，也不發射光線，我們無法直接看見它們。不過暗物質是有質量的，我們可以通過它們對普通物質的引力作用來間接找到它們。但除了引力之外，暗物質似乎基本不與普通物質發生作用了。
自從20世紀30年代暗物質這個概念提出以來，物理學家就開始不斷猜測構成暗物質的候選粒子，例如所謂的「大質量弱相互作用粒子」或「巨獸級弱相互作用粒子」等等、但是它們沒有一個被發現。另外超對稱理論還預言當前所有已知的基本粒子都有一個質量更大的「超對稱夥伴粒子」。這種夥伴粒子也被認為是一種暗物質候選粒子，但同樣，也沒有發現它們。
那麼宏粒子是不是暗物質呢？在這個猜測剛提出之初，物理學家很快就否掉了這個想法，原因有兩種。首先，如果宏粒子能變成如恆星那麼重的話，那麼它們其實就類似於褐矮星或黑洞一樣，只不過會更難以察覺。鑒於暗物質特別多，宏粒子的數量肯定要比可見的恆星數量多，那麼遠處的恆星抵達地球的光線要經常被宏粒子的引力所彎曲（這種現象稱為引力透鏡效應）。但觀察結果表明，大部分引力透鏡效應都可以用普通物質來解釋。其次，如果宏粒子很輕的話，會分散在宇宙的各個角落，那麼低質量會使得它們更容易與自身以及其他物質發生作用，會阻礙星系的形成。
不過，美國凱斯西儲大學的物理學家格倫·斯塔克曼最近和同事們在仔細分析後發現，宏粒子不會變得很重，也不會變得很輕，因此就不會經常產生引力透鏡效應，也不會變得更容易發生相互作用。這樣，宏粒子真的有可能是暗物質粒子。
如果事實真如斯塔克曼所預測的那樣，那麼所謂暗物質也像普通物質那樣是由夸克構成的了，這也意味著暗物質只是普通物質的一種。
宏粒子尋蹤記
斯塔克曼和他的同事們開始了尋找宏粒子存在的證據。
他們首先想弄清楚的是，最輕的宏粒子是否已經在以前的實驗中就出現過。他們注意到在上個世紀80年代由美國物理學家普萊斯所做過的一個實驗。那時，普萊斯覺得大質量弱相互作用粒子穿過地球時，可能會偶爾撞到由他深埋於地下的雲母樣品上。斯塔克曼相信，宏粒子也可能撞到雲母樣品上，但他對普萊斯的雲母樣品進行分析後，沒有找到任何有關宏粒子的證據。
於是，他們執行B計劃。在上個世紀70年代，研究人員在天空實驗室空間站上安裝了聚碳酸酯塑料薄膜。如果有粒子穿過塑料薄膜，那麼會留下蝕刻的痕迹。當時的研究人員用這個薄膜主要是來尋找宇宙射線中低能量的離子。斯塔克曼認為宏粒子也會在薄膜留下一些痕迹，但是對天空實驗室空間站的薄膜重新分析後，也沒有找到任何有關宏粒子的證據。
另一個希望則是位於義大利羅馬的「鸚鵡螺」實驗。「鸚鵡螺」是一個尋找引力波（廣義相對論所預言的時空本身的「漣漪」）所設立的實驗，實驗主要設備是一個2噸重的處於超低溫下的鋁棒。如果鋁棒發生形變，這可能意味著有引力波通過鋁棒。斯達克曼和他的同事認為宏粒子穿越鋁棒時，可能會與鋁發生作用並釋放能量，會導致設鋁棒被加熱並發生微小的變形。但是他們對鋁棒分析後，也沒有發現宏粒子的任何跡象。
追蹤宏粒子的努力仍在繼續。斯塔克曼的合作者、來自南非開普敦大學的戴維·雅各布斯打算分析宇宙射線探測器所獲得的數據。宇宙射線探測器通常是監視從太空來的質子或輕質量原子核與地球上層大氣碰撞時產生的粒子流。如果一個宏粒子與地球大氣中的分子發生作用，則會產生一種特別的光信號。
雅各布斯還希望使用海里的水聽器——它通常是用來研究鯨魚或監視非法核武器實驗的——可以聽到宏粒子穿過大海時產生的振動。
最好的線索可能在月球那裡。1972年，當阿波羅計劃中最後一批的宇航員離開月球時，他們留下了由4個月震儀所構成的監測系統。月球上雖然經常發生月震，但相對地球來說仍然平靜得多。斯塔克曼等人認為，宏粒子穿過月球時會產生獨特的震動模式，他們希望能從月震儀所記錄的數據中找到宏粒子存在的線索。
不過，月球上的那些月震儀已經相當古老了，如今美國宇航局正計劃把更加靈敏的月震儀放到月球上。他們的地震儀十分靈敏，可精確測量到氫原子半徑大小的變化——這足以能檢測到宏粒子。
一切尚是未定之數
費這麼大的力去尋找宏粒子，那麼暗物質真的會是宏粒子嗎？美國麻省理工學院的物理學家弗蘭克·威爾茨克就認為，形成宏粒子所需的能量會比形成普通物質的更少，如果宏粒子真的存在，那麼為什麼宇宙中還會有如此多的普通物質？
不過許多的物理學家對斯塔克曼的觀點表示歡迎。如果他們最終發現了宏粒子，那將會是一個巨大的轟動事件。這還意味著，之前物理學家提出的各種五花八門的暗物質候選粒子，可能都是不存在的。假如果真如此，大型強子對撞機就再也不會發現任何暗物質候選粒子了（因為宏粒子是處於低能量下的夸克構成的）。
物理學家對暗物質的探尋從沒有停止過，但是與其不斷提高粒子對撞機的能量，我們不如去探尋夸克在低能量時究竟有怎樣的表現。最終我們很有可能會發現，那些我們以為已經很熟悉的東西其實可能會變得非常詭異。
（本文源自大科技*科學之謎2016年第1期文章）
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