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30年探寻未果 科学家疑暗物质研究越走越"黑"

http://www.kexue.com 2014-01-20 09:30:16 中国科技网  发表评论


30年未果 科学家质疑暗物质探寻越走越黑

  自从天文学家发现宇宙中大部分物质都是无形的,他们就试图找出这些模糊的东西可能是什么。不过三十年日益复杂的搜寻仍未发现暗物质的迹象,导致科学家开始质疑关于这种难以捉摸的物质的一些基本观点。

  去年10月,寻找暗物质主要候选组成粒子(理论粒子WIMP)证据的最灵敏实验发布报告称,没有结果,这令科学家再次失望。现在,一些研究人员正重新审视,认为曾经的候选粒子不太可能存在。物理学家仍无法证明暗物质存在,但它存在的迹象又是实质性的。只有在宇宙中重力物质比可见的原子和分子物质更多时,恒星和星系的运动似乎才能被解释。通过重塑爱因斯坦广义相对论中的重力规则以修正这种矛盾的努力反复遭遇失败。

  WIMP一直被用来解释暗物质,部分原因是它们可以匹配物理学中其他流行的观点,例如超对称性——宇宙中所有已知的粒子都存在尚未被发现的伙伴粒子。科学家认为,这些超对称粒子中最轻的便是WIMP,可以构成宇宙中的暗物质。探测WIMP的努力从20世纪80年代开始就一直在持续,但是没有一次成功。最近,在美国南达科他州进行的大型地下氙(LUX)项目是迄今为止最灵敏的相关搜索,它报告称,3个月的数据并没有显示暗物质的任何迹象。

  LUX的合作发言人、布朗大学的Richard Gaitskell估计,超过一半的可能的WIMP模型已经被证明是错误的。未来的5年或者10年中,WIMP搜索应该会基本结束,最终会以未发现这些粒子或者基本上排除了它们的存在而告终。但是如果暗物质并不是由WIMP构成的,那会是什么呢?

  被称为轴子的理论粒子是另一个经常被提及的候选粒子。轴子的质量要比WIMP小得多,与普通物质的相互作用可能更少,它们更难以寻找,该部分解释了为何如今只有一个主要实验在寻找轴子,而十几个项目却在搜寻WIMP。不过,轴子也有一个更加坚实的理论基础,可以很容易地解释宇宙中存在的大量暗物质。

  “我并不理解,为何轴子被列为二号。”轴子暗物质试验(ADMX)负责人、华盛顿大学的Leslie Rosenberg表示,“我想改变这一顺序,不过这是我的意见。”ADMX开始于1995年,但目前为止尚未发现轴子暗物质的存在迹象。Rosenberg预测,在3年内,该项目将会发现轴子或者证明轴子确实存在。

  随着对WIMP和轴子的搜寻接近尾声,而且尚未有成功的迹象,越来越多的理论家正在考虑替代方案。Rosenberg说:“当人们紧张于WIMP时,其他候选粒子开始显露出来。”有人认为,宇宙中大量的小型黑洞可以解释暗物质。天文目标搜索并没有发现这样的黑洞的迹象,这些黑洞应该在一个被称为引力透镜的效应中使来自背景物体的光线发生曲折。

  另一个越来越让科学家感兴趣的可能性是夸克物质——由夸克组成的物质的极端密集阶段。夸克物质可能是在非常巨大的中子星中产生,如果数量足够,一些夸克星群不会发出光,但是完全可以对普通物质产生引力。

  这只是对暗物质许多可能解释中的一些。“我怀疑,我们已经想遍了所有的可能性。”哈佛大学的访问物理学家Matt Strassler称,“我们可能会是幸运的”,并很快找到答案,“或者也可能会再拖100年甚至更久”。

  最可怕的可能性也许是,暗物质是由一些不可能找到的东西组成的—— 一些只能通过重力与普通物质相互作用的粒子。在这种情况下,研究人员将没有希望利用探测器找到它。“如果我们进入一个模式,最有可能的粒子又不能被探测到,这就是最经典的科学挑战:即如何验证这样一个理论?”Gaitskell问道,“在这一点上,科学家面临的几乎肯定是失败—— 一个几乎不可能被测试的理论。”

  也许值得庆幸的是,这种粒子似乎不可能基于理论的角度。“如果有一个只能通过引力进行相互作用的粒子,人们就不得不问,它最初是如何在宇宙中产生的。”斯坦福大学理论物理学家Peter Graham说,“轴子和WIMP都有非常好的自然产生机制,以及为何会如此丰富。这就是其他模型并不受欢迎的原因。”尽管如此,这仍然是纸上谈兵。

  即使物理学家不能直接探测暗物质粒子,他们还是坚持着希望:也许会通过欧洲大型强子对撞机(LHC)等粒子加速器发现暗物质存在的间接证据。LHC可以在强力撞击质子时,产生WIMP或者其他暗物质候选粒子。另一个希望是,如果两种粒子接触时,暗物质会湮灭自己,那么像来自银河系中心的γ射线等天文信号也许会揭示暗物质粒子的出现。科学家声称发现了这种迹象,但远未确定。

  最终,仍在进行搜寻的大多数物理学家称,他们并不关心其特定的暗物质理论是否被证明是正确的,只要他们最终能够得到一个答案。另一个WIMP探测实验——低温暗物质搜寻计划(CDMS)负责人、来自斯坦福大学的Blas Cabrera说:“就像在所有的研究中,从来都没有成功的保证。我们可以做的就是继续努力回答大多数重要的科学问题。”最近,越来越多的物理学家面临着失败的可能。“如果我们没有发现暗物质,那么我会极其失望。”Rosenberg表示,“这是在我们的掌握之中,而我真的想知道它是什么。”

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