根據(jù)宇宙學(xué)家的理論，宇宙25.8%是由暗物質(zhì)組成，暗物質(zhì)的存在基本上只能通過引力來顯示。這種物質(zhì)由什么組成仍然是個謎。波茨坦馬普引力物理研究所所長赫爾曼·尼科萊和華沙大學(xué)同事Krzysztof Meissner現(xiàn)在提出了一個新的候選者——超重引力子。

這個仍然是假設(shè)的粒子存在源于一個假設(shè)，該假設(shè)試圖解釋粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中觀測到的夸克和輕子光譜可能是如何從一個基本理論中產(chǎn)生。此外，研究人員還描述了一種追蹤這種粒子的可能方法。

粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型包括物質(zhì)的組成部分和結(jié)合在一起的力，有六種不同的夸克和六種輕子被分成三個“家族”。然而，普通物質(zhì)和包括我們身體最終只由來自第一家族的三個粒子組成：上夸克和下夸克以及電子，電子是輕子家族的一員。到目前為止，這個長期建立的標(biāo)準(zhǔn)模型一直保持不變，歐洲核子研究中心(CERN)的大型強子對撞機(LHC)大約十年前投入使用，主要目的是探索未來可能存在的東西。然而，經(jīng)過10年的數(shù)據(jù)收集，科學(xué)家們除了希格斯玻色子之外，還沒有發(fā)現(xiàn)任何新的基本粒子。

盡管人們普遍持有相反的預(yù)期，換句話說，迄今為止，大型強子對撞機測量結(jié)果未能提供任何超出標(biāo)準(zhǔn)模型的“新物理學(xué)”線索。這些發(fā)現(xiàn)與這個模型許多擴展理論形成了鮮明的對比，這些擴展理論預(yù)測了大量的新粒子。在發(fā)表在《物理評論快報》上一項研究中，Hermann Nicolai和Krzysztof Meissner提出了一個新的假設(shè)，該假設(shè)試圖解釋為什么只有已知的基本粒子，才作為自然界物質(zhì)的基本組成部分出現(xiàn)，以及為什么與之前的理論相反。在當(dāng)前或可想象的未來實驗?zāi)芰糠秶鷥?nèi)，沒有新的粒子被期待出現(xiàn)。

此外，兩位研究人員假設(shè)存在超大質(zhì)量引力子，這可能是暗物質(zhì)極不尋常的候選者。在發(fā)表在《物理評論D》上的第二篇論文中，他們還提出了一項關(guān)于如何追蹤這些引力子的理論。在研究中，Nicolai和Meissner采用了諾貝爾獎得主Murray Gell-Mann基于“N=8超重力”理論的舊觀點。提出的一個關(guān)鍵因素是一種新型無限維對稱，旨在解釋三個家族已知夸克和輕子的觀測光譜。研究假設(shè)實際上沒有為普通物質(zhì)產(chǎn)生額外的粒子，而這些粒子在加速器實驗中沒有出現(xiàn)，因此需要加以駁斥。

相比之下，該假設(shè)在理論上可以準(zhǔn)確解釋我們所觀測到的，特別是夸克和輕子在三個家族中的復(fù)制。然而，宇宙過程不能完全用已經(jīng)知道的普通物質(zhì)來解釋。這一現(xiàn)象的一個標(biāo)志是星系：星系高速旋轉(zhuǎn)，而宇宙中可見的物質(zhì)（只占宇宙物質(zhì)的5%）不足以將它們聚集在一起。然而，到目前為止，沒有人知道其余的是由什么組成，盡管有許多理論。因此，暗物質(zhì)的性質(zhì)是宇宙學(xué)中最重要且懸而未決的問題之一。人們普遍認為暗物質(zhì)是由基本粒子組成，而目前還不可能探測到這種粒子，因為它幾乎完全是靠引力與普通物質(zhì)相互作用。

新研究模型為這類暗物質(zhì)粒子提供了一個新的候選粒子，盡管性質(zhì)與目前討論的所有候選粒子(如軸子或弱相互作用大質(zhì)量粒子)完全不同。后者與已知物質(zhì)的相互作用非常微弱。同樣也適用于非常輕的引力子，它們被反復(fù)地提出作為與低能量超對稱性有關(guān)的暗物質(zhì)候選體。然而，目前理論走向了一個完全不同的方向，它不再賦予超對稱一個主要的角色，即使該理論是從最大N=8超重力下降。特別是，該預(yù)測了超重引力子的存在，它不像通常的候選粒子，也不像之前考慮的輕引力子，它也會與普通物質(zhì)發(fā)生強烈的電磁作用。

巨大質(zhì)量意味著這些粒子只能以非常稀薄的形式出現(xiàn)在宇宙中，否則，它們就會“過度接近”宇宙，從而導(dǎo)致其早期崩潰。根據(jù)馬克斯·普朗克研究人員所說：要解釋宇宙和星系中暗物質(zhì)的含量，實際上并不需要很多這樣的粒子——每10000立方千米有一個粒子就足夠了，假定的粒子質(zhì)量位于普朗克質(zhì)量的區(qū)域，即大約1億分之一千克。相比之下，質(zhì)子和中子（構(gòu)成原子核的基本元素）要輕10萬億倍，在星系間空間，密度會更低。這些超重引力子的穩(wěn)定性取決于不同尋常的量子數(shù)(電荷)。

具體地說，在標(biāo)準(zhǔn)模型中根本沒有相應(yīng)電荷的最終狀態(tài)可以讓這些引力子衰變——不然，它們會在大爆炸后不久消失。與已知物質(zhì)的強電磁相互作用可能使這些暗物質(zhì)粒子更容易被追蹤，盡管它們極其罕見。一種可能性是利用地下深處專門的探測器來尋找它們，因為這些粒子的移動速度比光速慢得多，而普通的基本粒子則來自宇宙輻射。然而，由于巨大的質(zhì)量，就像一顆炮彈，一群蚊子阻擋不了它，所以它們可以毫不費力地穿透地球。這一事實讓研究人員有了將地球本身作為“古探測器”的想法：地球已經(jīng)在星際空間中大約45億年了。

在此期間，地球一定被這些巨大的引力子穿透了。在這個過程中，這些粒子應(yīng)該在巖石中留下長而直的電離軌跡，但要將它們與已知粒子造成的軌跡區(qū)分開來可能并不容易。眾所周知，電離輻射會導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)中的晶格缺陷。有可能在晶體中發(fā)現(xiàn)這種電離痕跡的遺跡，這種痕跡在數(shù)百萬年的時間里保持穩(wěn)定。由于其長時間的“暴露”，這樣的搜索策略，暗物質(zhì)在星系內(nèi)部不是均勻分布而是受局部密度波動影響的情況下也可能會成功——這也可以解釋到目前為止，尋找更傳統(tǒng)暗物質(zhì)候選者失敗的原因。

博科園｜研究/來自：馬克斯·普朗克學(xué)會

參考期刊《物理評論D》《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.091601

DOI: 10.1103/PhysRevD.100.035001

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