暗物質(zhì)聽(tīng)起來(lái)似乎神秘莫測(cè)、遙不可及。其實(shí)，你隨意抬起手的一瞬間，就有可能碰觸到無(wú)數(shù)神秘的暗物質(zhì)。
暗物質(zhì)看不見(jiàn)、摸不著，但在以往的研究中，又有許多證據(jù)證實(shí)其在宇宙中普遍存在。長(zhǎng)久以來(lái)，無(wú)數(shù)學(xué)者對(duì)暗物質(zhì)展開(kāi)研究，但關(guān)于暗物質(zhì)粒子的物理性質(zhì)及其在早期宇宙中的起源，科學(xué)家仍舊知之甚少。
11月4日，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，來(lái)自澳大利亞墨爾本大學(xué)、歐洲核子中心、美國(guó)萊斯大學(xué)等的研究人員組成的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)，提出了一種關(guān)于暗物質(zhì)的新觀點(diǎn)。他們認(rèn)為，宇宙大爆炸時(shí)期，等離子體一級(jí)相變?nèi)缤粡垶V網(wǎng)，“過(guò)濾”掉了大部分暗物質(zhì)，僅有少數(shù)暗物質(zhì)留存下來(lái)，才演變成當(dāng)今宇宙的“暗物質(zhì)地圖”。
宇宙早期 暗物質(zhì)比現(xiàn)在多得多
要了解這項(xiàng)研究，需要從宇宙大爆炸學(xué)說(shuō)講起?？茖W(xué)家推測(cè)，宇宙混沌之初，世界萬(wàn)物皆起源于一個(gè)致密熾熱的奇點(diǎn)，隨后宇宙不斷膨脹，就像發(fā)生了一次大爆炸。近140億年間，彌漫著等離子體的宇宙不斷變冷，物質(zhì)密度也不斷變低。
目前的天文觀測(cè)證據(jù)顯示，暗物質(zhì)在整個(gè)宇宙中所占的組分大約是22%。或許有人會(huì)驚嘆于當(dāng)今宇宙暗物質(zhì)占比之大。但事實(shí)上，以往研究表明，暗物質(zhì)在早期宇宙時(shí)的占比更大。
為什么暗物質(zhì)變少了?該研究認(rèn)為，低能量的暗物質(zhì)被“過(guò)濾”掉了。
“我們認(rèn)為，暗物質(zhì)并非宇宙中等離子體逐漸冷卻的結(jié)果，而是由等離子體一級(jí)相變(FOPT)突然觸發(fā)的產(chǎn)物。在這一相變過(guò)程中，暗物質(zhì)粒子獲得了質(zhì)量，而低能量粒子則從等離子體中被‘過(guò)濾’出去了。”文章第一作者、澳大利亞墨爾本大學(xué)物理學(xué)院研究人員貝克在文章中寫(xiě)道。
北京大學(xué)物理學(xué)院研究員劉佳在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示，大爆炸后的早期宇宙充斥著各種各樣的粒子，包括如今我們看得見(jiàn)的粒子;也包括看不見(jiàn)的粒子，比如暗物質(zhì)。
如果將宇宙看成是一鍋湯，早期宇宙隨處可見(jiàn)的等離子體就是這鍋湯的主要組成部分。各種粒子就像是湯中的牛羊肉、丸子、胡蘿卜塊等食材，暗物質(zhì)也是食材之一，好比羊肉塊。
假如這口宇宙大鍋在某一時(shí)刻突然降溫，熱氣騰騰的水發(fā)生了相變，于是這鍋湯從某些地方開(kāi)始結(jié)冰，最終冰塊延展到整個(gè)鍋，就成了我們現(xiàn)在所看到的宇宙。
“日常生活中，讓水中的羊肉進(jìn)入到已經(jīng)結(jié)冰的湯中絕非易事。同理，早期宇宙中暗物質(zhì)想要進(jìn)入到已經(jīng)相變的等離子體‘氣泡’中也沒(méi)那么容易，只有高能量的暗物質(zhì)可以進(jìn)去。”劉佳進(jìn)一步解釋?zhuān)谟钪?ldquo;由水變成冰”的過(guò)程中，只有能夠順利進(jìn)入到“冰”中的暗物質(zhì)才會(huì)被保存下來(lái)，成為我們現(xiàn)在能夠預(yù)測(cè)到的暗物質(zhì)。也就是說(shuō)，早期宇宙等離子體的相變過(guò)程就像是筑起了一道閘門(mén)，只有極少數(shù)高能量暗物質(zhì)能夠順利保存下來(lái)，而那些占大多數(shù)的低能量暗物質(zhì)則被拒之門(mén)外，或轉(zhuǎn)化為如今我們能夠看得見(jiàn)的粒子，或以其他不為人知的方式消失，遍尋不見(jiàn)。
突破限制 高能量暗物質(zhì)更易“存活”
“這是一個(gè)非常有趣新穎的觀點(diǎn)。”劉佳表示，該機(jī)制突破了100萬(wàn)億電子伏(TeV)的熱退耦機(jī)制(freeze-out)中暗物質(zhì)的幺正限制，為超重暗物質(zhì)提供了一種新的產(chǎn)生機(jī)制。
熱退耦機(jī)制，是暗物質(zhì)起源的主流觀點(diǎn)之一。在宇宙最初高溫的時(shí)候，粒子之間碰撞概率很高，此時(shí)暗物質(zhì)與普通粒子可以相互轉(zhuǎn)換，二者處于熱平衡的狀態(tài)。比如，2個(gè)暗物質(zhì)粒子可以轉(zhuǎn)換成2個(gè)普通粒子，反之亦然。
隨著宇宙膨脹，溫度逐漸降低，粒子之間的間隔逐漸變遠(yuǎn)。這時(shí)，2個(gè)暗物質(zhì)粒子還是可以轉(zhuǎn)換成2個(gè)普通粒子，但2個(gè)普通粒子卻不能再轉(zhuǎn)換成2個(gè)暗物質(zhì)粒子了。因?yàn)槠胀Ｗ拥哪芰颗c溫度相關(guān)，宇宙變冷了，它們的能量也相應(yīng)下降了，不能再支撐其與暗物質(zhì)等比轉(zhuǎn)化。這就解釋了暗物質(zhì)數(shù)量為何由多變少。另一方面，由于粒子間碰撞的概率降低，這種轉(zhuǎn)換的機(jī)會(huì)也少了，所以經(jīng)過(guò)百億年的演變，暗物質(zhì)數(shù)量逐漸固定下來(lái)。
劉佳告訴科技日?qǐng)?bào)記者，熱退耦機(jī)制要求暗物質(zhì)的能量必須小于100TeV，但是貝克等人提出的新機(jī)制卻與之不同，高能量的暗物質(zhì)反而會(huì)更容易“存活”下來(lái)。
事實(shí)上，此前關(guān)于暗物質(zhì)的起源學(xué)說(shuō)并非熱退耦機(jī)制一枝獨(dú)秀，學(xué)界還有很多其他觀點(diǎn)。
有學(xué)者在熱退耦機(jī)制基礎(chǔ)上提出了“改進(jìn)版”，還有學(xué)者提出了冷凍耦合機(jī)制(freeze-in)、超輕暗物質(zhì)的偏移模型等。熱退耦機(jī)制的“改進(jìn)版”觀點(diǎn)認(rèn)為，暗物質(zhì)也可能轉(zhuǎn)換成我們目前認(rèn)知之外的粒子。也就是說(shuō)，暗物質(zhì)粒子不只是一種單一粒子，有可能會(huì)細(xì)分成更多粒子，它們或許在我們看不見(jiàn)的地方構(gòu)成了一個(gè)與我們所在的世界完全不同的“暗世界”。這樣的世界是否真的存在?科學(xué)家為此不斷探索，希望有一天能揭開(kāi)它的神秘面紗。
探尋蹤跡 科學(xué)家多管齊下
“目前來(lái)看，人們對(duì)于暗物質(zhì)的認(rèn)知也許只會(huì)受限于想象力。”劉佳告訴科技日?qǐng)?bào)記者，如果想要驗(yàn)證這些觀點(diǎn)是否正確，最有利的證據(jù)還是要真正找到暗物質(zhì)。
尋找暗物質(zhì)有直接探測(cè)和間接探測(cè)之分。
直接探測(cè)的方式類(lèi)似于守株待兔。中國(guó)科學(xué)院院士、國(guó)家天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)常進(jìn)2020年7月在一場(chǎng)科普直播活動(dòng)中表示，我們生活在一團(tuán)暗物質(zhì)云中，每秒鐘可能有幾百萬(wàn)甚至上千萬(wàn)的暗物質(zhì)粒子穿過(guò)我們的身體。
直接探測(cè)暗物質(zhì)的方法之一，就是利用精密的儀器密切觀察大量的原子核，如果足夠幸運(yùn)，某一時(shí)刻暗物質(zhì)碰撞到某個(gè)原子核，會(huì)在原子核上留下殘余能量。
當(dāng)然，這種能量波動(dòng)極其微弱，而且宇宙中的各種射線同樣也有機(jī)會(huì)與這個(gè)原子核來(lái)一場(chǎng)親密的邂逅，從而對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生干擾。
因此，旨在直接探測(cè)到暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室通常會(huì)建于極深的地下或山下，盡最大可能屏蔽掉這些干擾。例如位于我國(guó)四川的錦屏深地核天體物理實(shí)驗(yàn)室，其上垂直巖石的覆蓋就厚達(dá)2400米。
間接探測(cè)則致力于尋找暗物質(zhì)的“兒子”。學(xué)者認(rèn)為，暗物質(zhì)可以通過(guò)湮滅產(chǎn)生極高能的光子、正負(fù)電子、正反質(zhì)子或者中微子。如果我們能在眾多天文信號(hào)中剝離出這些暗物質(zhì)相關(guān)的信號(hào)，也許就能找到暗物質(zhì)存在的蛛絲馬跡。我國(guó)發(fā)射的“悟空”號(hào)暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星正是致力于此。
遺憾的是，到目前為止，不論是通過(guò)哪種探測(cè)暗物質(zhì)的方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都沒(méi)有真正找到暗物質(zhì)的蹤跡。雖然耗時(shí)費(fèi)力，但對(duì)于虛無(wú)縹緲的暗物質(zhì)，探索的腳步從未終止。“工欲善其事，必先利其器?；A(chǔ)科學(xué)需要一些高精尖的裝置，也需要將這些裝置做到極致，這將會(huì)間接推動(dòng)相關(guān)行業(yè)發(fā)展。而科學(xué)，往往會(huì)在這個(gè)過(guò)程中獲得新奇的發(fā)現(xiàn)，或許將會(huì)掀起又一場(chǎng)科技革命。”劉佳說(shuō)。(于紫月)
