對(duì)宇宙射線中反粒子數(shù)量的測(cè)量，改變了我們對(duì)暗物質(zhì)的觀點(diǎn)！
“我們檢測(cè)到的反粒子數(shù)量是無(wú)法通過(guò)當(dāng)前宇宙已知的任何過(guò)程來(lái)解釋的！”
粒子湮滅產(chǎn)生反物質(zhì)形成反氦的想象圖（來(lái)自歐洲核子研究中心）
宇宙射線就像帶電粒子“雨”一樣，不斷的轟擊地球。而近期的一項(xiàng)新研究顯示，宇宙射線中富含的反物質(zhì)可能會(huì)揭開(kāi)宇宙中最神秘的暗物質(zhì)之謎。
暗物質(zhì)的神秘之處體現(xiàn)在其對(duì)科學(xué)家?guī)?lái)的挑戰(zhàn)：暗物質(zhì)在宇宙中占比大約85%，但因?yàn)槠洳慌c光發(fā)生相互作用，導(dǎo)致無(wú)法被觀測(cè)到。也就是說(shuō)，構(gòu)成恒星、行星、月球、流星、彗星、人體、書(shū)本、咖啡杯、貓咪等物體的原子數(shù)量和暗物質(zhì)比起來(lái)，僅僅占據(jù)1/5左右。
構(gòu)成宇宙85%左右成分的暗物質(zhì)想象圖
西班牙馬德里理論物理研究機(jī)構(gòu)的佩德羅?德拉托爾?盧克帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新的理論：宇宙射線中所包含的數(shù)量異常的反物質(zhì)（具有相反電荷的質(zhì)子、電子等構(gòu)成），可能來(lái)自暗物質(zhì)的湮滅過(guò)程。二者之間的具體關(guān)系，可能會(huì)幫我們澄清關(guān)于“暗物質(zhì)來(lái)自弱相互作用大質(zhì)量粒子”的主流猜測(cè)。
佩德羅?德拉托爾?盧克表示：“宇宙中已知的各種反應(yīng)都無(wú)法解釋我們所發(fā)現(xiàn)的反原子數(shù)量，特別是反氦原子（氦原子的反粒子）數(shù)量。反粒子在星際介質(zhì)（恒星之間的氣體和塵埃）中并不尋常，因此發(fā)現(xiàn)高比例的反粒子，這意味著宇宙中存在一些我們尚未了解的反應(yīng)過(guò)程?！?/p>
“尤其是，如果暗物質(zhì)是粒子構(gòu)成，那么它不太可能會(huì)湮滅，然后產(chǎn)生同樣數(shù)量的粒子和反粒子?！?/p>
這個(gè)團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果對(duì)于暗物質(zhì)的最佳候選者（弱相互作用大質(zhì)量粒子）給出了不利證據(jù)，迫使科學(xué)家們重新回到尋找宇宙丟失質(zhì)量問(wèn)題的起點(diǎn)，并重新思考。
也就是說(shuō)：“暗物質(zhì)來(lái)自弱相互作用大質(zhì)量粒子”這個(gè)理論有可能被取代！
關(guān)于弱相互作用大質(zhì)量粒子，雖然它是暗物質(zhì)的最佳候選者，但時(shí)至今日，其依然難以被發(fā)現(xiàn)。
佩德羅?德拉托爾?盧克介紹說(shuō)：“粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型解釋了我們已知的各種粒子以及它們之間的相互作用，而弱相互作用大質(zhì)量粒子是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的眾多最基本擴(kuò)充理論中所預(yù)言的一群粒子。這些粒子從未被觀測(cè)到，但是它們是暗物質(zhì)的絕佳候選者，因?yàn)樗鼈兪侵行缘?，并且在早期宇宙產(chǎn)生基本粒子的過(guò)程中也能夠產(chǎn)生。”
弱相互作用大質(zhì)量粒子產(chǎn)生自標(biāo)準(zhǔn)粒子模型的擴(kuò)展理論，其難以被觀測(cè)到。
弱相互作用大質(zhì)量粒子和我們所知的常規(guī)粒子幾乎不會(huì)發(fā)生相互作用，這意味著它們會(huì)逃脫我們現(xiàn)有的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。因此如果它們構(gòu)成了暗物質(zhì)，這也解釋了為什么暗物質(zhì)探測(cè)不到。但是，弱相互作用大質(zhì)量粒子會(huì)受到引力作用，就像暗物質(zhì)那樣。這一點(diǎn)很關(guān)鍵，因?yàn)榘滴镔|(zhì)就是科學(xué)家們根據(jù)引力影響推測(cè)其存在的。因此二者在引力方面的影響是一致的。
子彈星系團(tuán)，在這里相互作用微弱的暗物質(zhì)（藍(lán)色區(qū)域）穿越了普通物質(zhì)（紅色區(qū)域），就像一顆子彈穿過(guò)蘋(píng)果一樣。（圖片來(lái)源：其中X射線觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)國(guó)家航空航天局/錢(qián)德拉X射線天文臺(tái)/哈佛-史密松天體物理中心/馬克維奇,可見(jiàn)光與引力透鏡觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)國(guó)家航空航天局/太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所的麥哲倫、亞利桑那、克洛等人，另一部分引力透鏡數(shù)據(jù)來(lái)自歐洲南方天文臺(tái)/廣域成像儀）
關(guān)于暗物質(zhì)有一個(gè)未解決的問(wèn)題是：構(gòu)成暗物質(zhì)的粒子是否會(huì)發(fā)生湮滅。這里講的湮滅是指粒子和反粒子相遇并相互毀滅的過(guò)程。例如，當(dāng)一個(gè)電子與它的反粒子 - 正電子相遇時(shí)，就會(huì)發(fā)生湮滅，其包含的能量會(huì)重新釋放到宇宙中。在一些特殊場(chǎng)景下，人們推測(cè)暗物質(zhì)會(huì)通過(guò)內(nèi)部的相互作用產(chǎn)生自湮滅現(xiàn)象。
佩德羅?德拉托爾?盧克介紹說(shuō)：弱相互作用大質(zhì)量粒子被認(rèn)為會(huì)發(fā)生這種自湮滅，產(chǎn)生同樣數(shù)量的粒子和反粒子。雖然我們認(rèn)為星際空間的介質(zhì)中我們所了解的反應(yīng)過(guò)程僅僅會(huì)產(chǎn)生很少量的反粒子，但是如果暗物質(zhì)充滿了宇宙，弱相互作用大質(zhì)量粒子又是暗物質(zhì)的最可能構(gòu)成，那么我們很容易推論出星系中的弱相互作用大質(zhì)量粒子產(chǎn)生了大量的反粒子。
針對(duì)這種猜測(cè)，科研團(tuán)隊(duì)研究了宇宙射線中的氦和反氦，想找到弱相互作用大質(zhì)量粒子的湮滅跡象。像正常的氦原子一樣，反氦可以包含三或者四個(gè)中子，這意味著反氦存在兩種同位素：反氦-3，反氦-4。
在國(guó)際空間站上的阿爾法磁譜儀02設(shè)備最近在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了數(shù)量相近的反氦-3和反氦-4。宇宙射線在穿越和撞擊星際介質(zhì)的時(shí)候是能夠產(chǎn)生反粒子的，但是在宇宙射線中檢測(cè)到的反氦粒子的數(shù)量，要遠(yuǎn)高于科學(xué)家根據(jù)宇宙射線中粒子自身估算出來(lái)能產(chǎn)生的反粒子數(shù)量。
搭載阿爾法磁譜儀02設(shè)備的國(guó)際空間站，正是這個(gè)設(shè)備從宇宙射線中檢測(cè)到比預(yù)期高得多的反粒子數(shù)量（圖片來(lái)自布里克大街）
弱相互作用大質(zhì)量粒子作為暗物質(zhì)候選者，是否能夠解釋這種反粒子數(shù)量的異常高的情況呢？研究團(tuán)隊(duì)對(duì)此進(jìn)行了研究。他們得到的結(jié)論是：可以解釋反氦-3數(shù)量的異常，但是無(wú)法解釋反氦-4的數(shù)量異常。
佩德羅?德拉托爾?盧克介紹了他們的研究結(jié)果：“我們的預(yù)測(cè)表明，在樂(lè)觀的情況下，我們能夠在弱相互作用大質(zhì)量粒子作為暗物質(zhì)的假設(shè)下，解釋反氦-3粒子的觀測(cè)數(shù)值，但是我們會(huì)得到數(shù)量少得多的反氦-4粒子數(shù)量。實(shí)際上，由于反氦-4要重于反氦-3，計(jì)算得到的結(jié)果比觀測(cè)值少了大約1000倍。因此，我們發(fā)現(xiàn)弱相互作用大質(zhì)量粒子作為暗物質(zhì)的構(gòu)成，很難解釋目前的觀測(cè)數(shù)據(jù)，除非我們對(duì)暗物質(zhì)引入更為特殊的模型?！?/p>
雖然看上去這是個(gè)壞消息，但是要知道，弱相互作用大質(zhì)量粒子作為滿足暗物質(zhì)幾乎一切要求的“神奇粒子”，曾經(jīng)將很多其它粒子模型排除在外。
而現(xiàn)在這些被排除的候選者又被帶了回來(lái)，其中包含非粒子解釋理論，例如暗物質(zhì)由亞原子尺寸大小的太初黑洞構(gòu)成，其誕生于大爆炸階段。
太初黑洞的藝術(shù)想象圖，其誕生于宇宙大爆炸階段。
佩德羅?德拉托爾?盧克表示：如果這些反粒子的產(chǎn)生是因?yàn)樾窍抵写嬖诘奈粗Ｗ訉?dǎo)致的，那么這種未知粒子一定具有較為奇特的湮滅特點(diǎn)。如果我們發(fā)現(xiàn)這種粒子可以解釋我們對(duì)暗物質(zhì)的所有觀測(cè)結(jié)果，并且在粒子加速器中逃脫掉了當(dāng)前所有的檢測(cè)技術(shù)，那么這種粒子就是暗物質(zhì)的極佳候選者，而對(duì)反氦的檢測(cè)是我們唯一研究它的方法。
這個(gè)科研團(tuán)隊(duì)的研究成果發(fā)表在10月4日的宇宙學(xué)和天體粒子物理學(xué)的期刊上。
BY:Robert Lea
如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán)，請(qǐng)?jiān)谧髌钒l(fā)布后聯(lián)系作者刪除
轉(zhuǎn)載還請(qǐng)取得授權(quán)，并注意保持完整性和注明出處
熱門(mén)跟貼