一種新的理論表明，構(gòu)成暗物質(zhì)的基本粒子可能是來(lái)自額外維度的宇宙難民。

理論計(jì)算表明，這些粒子制造的額外質(zhì)量恰好可以解釋暗物質(zhì)，而暗物質(zhì)只能通過(guò)其對(duì)普通物質(zhì)的引力來(lái)“被看到”。

“大質(zhì)量引力子是由早期宇宙中普通粒子的碰撞產(chǎn)生的。這一過(guò)程被認(rèn)為太過(guò)罕見(jiàn)，所以大質(zhì)量引力子不能成為暗物質(zhì)的候選者。”該研究的合著者、法國(guó)里昂大學(xué)的物理學(xué)家賈科莫·卡恰帕格利亞(Giacomo Cacciapaglia)告訴 Live Science。

但在 2 月發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》雜志上的一項(xiàng)新研究中，Cacciapaglia 與高麗大學(xué)的物理學(xué)家 Haiying Cai 和 Seung J. Lee 一起發(fā)現(xiàn)，在早期宇宙中已經(jīng)產(chǎn)生了足夠多的這些引力子，足以解釋所有我們目前在宇宙中探測(cè)到的暗物質(zhì)。

研究發(fā)現(xiàn)，如果引力子存在，它們的質(zhì)量將小于 1 兆電子伏 (MeV)，因此不超過(guò)電子質(zhì)量的兩倍。

這個(gè)質(zhì)量水平遠(yuǎn)低于希格斯玻色子為普通物質(zhì)產(chǎn)生質(zhì)量的尺度——這是該模型產(chǎn)生足夠多的普通物質(zhì)以解釋宇宙中所有暗物質(zhì)的關(guān)鍵。 (相比之下，根據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的數(shù)據(jù)，已知最輕的粒子中微子的重量不到 2 電子伏特，而質(zhì)子的重量約為 940 MeV。)

該團(tuán)隊(duì)在尋找額外維度的證據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)了這些假設(shè)的引力子，一些物理學(xué)家懷疑這些額外維度與觀察到的空間三個(gè)維度和第四維度時(shí)間一起存在。

在該團(tuán)隊(duì)的理論中，當(dāng)引力通過(guò)額外維度傳播時(shí)，它會(huì)在我們的宇宙中以大質(zhì)量引力子的形式出現(xiàn)。

但這些粒子只會(huì)與普通物質(zhì)微弱地相互作用，而且只能通過(guò)引力。

這種描述與我們對(duì)暗物質(zhì)的了解驚人地相似，暗物質(zhì)不與電磁場(chǎng)相互作用，但在宇宙中的任何地方都能感受到引力影響。

“大質(zhì)量引力子作為暗物質(zhì)粒子的主要優(yōu)點(diǎn)是它們只在引力下相互作用，因此可以逃避檢測(cè)?！笨ㄇ∨晾麃喺f(shuō)。

相比之下，其他暗物質(zhì)候選者——例如弱相互作用的大質(zhì)量粒子、軸子和中微子——也可能通過(guò)它們與其他力和場(chǎng)的非常微妙的相互作用而被感受到。

大質(zhì)量引力子不借助引力之外的效應(yīng)與宇宙中的其他粒子和力相互作用，這一事實(shí)提供了另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。

“由于它們的相互作用非常弱，它們衰變非常緩慢，以至于它們?cè)谟钪娴恼麄€(gè)生命周期中都保持穩(wěn)定?！笨ㄇ∨粮窭麃喺f(shuō)，“出于同樣的原因，它們?cè)谟钪媾蛎涍^(guò)程中緩慢積累并達(dá)成今天的規(guī)模?！?/p>

過(guò)去，物理學(xué)家認(rèn)為引力子不太可能是暗物質(zhì)候選者，因?yàn)楫a(chǎn)生它們的過(guò)程極為罕見(jiàn)。但研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在大爆炸后的皮秒(萬(wàn)億分之一秒)內(nèi)，出現(xiàn)的引力子比過(guò)去的理論所暗示的要多。

研究發(fā)現(xiàn)，這足以讓大質(zhì)量引力子完全對(duì)應(yīng)我們?cè)谟钪嬷刑綔y(cè)到的暗物質(zhì)的量。

“這種修正確實(shí)令人震驚。我們反復(fù)檢查以確保計(jì)算無(wú)誤，因?yàn)樗鼘?dǎo)致潛在暗物質(zhì)的候選者發(fā)生了范式轉(zhuǎn)變?！?/p>

由于大質(zhì)量引力子的形成低于希格斯玻色子的能量尺度，因此它們擺脫了與更高能量尺度相關(guān)的不確定性，而目前的粒子物理學(xué)并沒(méi)有很好地描述這一點(diǎn)。

該團(tuán)隊(duì)的理論把在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)等粒子加速器上研究的物理學(xué)與重力物理學(xué)聯(lián)系起來(lái)。

這意味著強(qiáng)大的粒子加速器，如歐洲核子研究中心未來(lái)的圓形對(duì)撞機(jī)(將于 2035 年開始運(yùn)行)，可用于尋找這些潛在的暗物質(zhì)粒子。