構成暗物質的可能會是什麼粒子？存在一個與我們的世界一模一樣的“暗世界”嗎？
歷史往往有著驚人的重複性。比方說19世紀末，正當物理學家們躊躇滿志地認為，物理學大廈已告竣工，以後只能做些修修補補的工作的時候，明朗的天空中飄來兩朵烏雲：一朵是黑體輻射問題，另一朵是以太問題；這兩朵小小的烏雲竟在20世紀釀成了相對論和量子力學的革命。
同樣的，20世紀末在物理學家們以為大統一理論在望，今後不會有新鮮事的時候，暗物質和暗能量登場了。佔宇宙總物質的90%的暗物質竟然長期躲在天文學家眼皮底下不為人知，即便今天也不知它究竟是什麼東西。
重量級的“隱士”
暗物質之所以能長期躲過觀測，是因為它像隱士一樣，幾乎不與普通物質發生相互作用。眾所周知，天文學家需要藉助電磁波（可見光和不可見的紅外、紫外、X射線等等）才能觀測遙遠的宇宙天體。電磁波來自電磁作用。可是我們目前知道暗物質與普通物質只有引力作用，沒有電磁作用，所以不能直接覺察到它，只能通過它與普通物質的引力作用間接推知它的存在。
暗物質雖然是長期以來不為人知的“隱士”，但看來在宇宙演化的過程中扮演了重要角色。天文觀測表明，星系和星系團全被巨大的暗物質球包裹著，稱為“暗物質暈”。天文學家認為，暗物質暈在宇宙早期率先形成，然後才把普通物質吸引進來，所以暗物質相當於搭建“宇宙大廈”的“腳手架”。沒有暗物質，我們的宇宙就不可能形成星系、星系團等錯綜複雜的結構。
但是構成暗物質的是什麼粒子呢？
普通物質，也叫重子物質，它們主要是由質子、中子組成。這種物質能參與自然界中所有已知的4種基本作用力。在基本粒子的大家族中，目前只有一類非常輕的粒子——中微子不參與電磁作用。從性質來看，它們也可稱為暗物質粒子。但單靠中微子解釋不了暗物質謎團。因為中微子質量太輕，運動速度太快，難以聚集成團，充當宇宙的“腳手架”。應該還有一類迄今未知的，質量很大，運動速度很慢，但又像中微子一樣“孤僻”的粒子，它們才是構成暗物質的“主力軍”。
暗物質粒子的最佳候選者
甚至在理論上，暗物質粒子也已經超出了目前被廣泛接受的粒子物理標準模型。目前差不多隻有粒子物理學上一種叫超對稱的理論多多少少暗示了它的存在。
我們知道，基本粒子可分成兩大類，一類稱為玻色子，另一類稱為費米子。這兩類粒子具有截然不同的性質。簡單地說，玻色子喜歡聚集在一起，過集體生活；費米子喜歡孤獨，過單身生活。而超對稱理論把兩者聯繫了起來，認為每一種費米子，都有一種迄今還未被發現的玻色子與之對應。這種對稱可以滿足物理學上簡單和美的要求。
超對稱理論還預言存在一大類“弱相互作用大質量粒子（英文縮寫WIMP）”。之所以取這個名字，這些粒子只通過弱核力（一種在放射性原子核或者自由中子衰變過程中起作用的力）發生相互作用。由於跟主宰著日常世界的電磁力完全“絕緣”，這些粒子是根本看不見的，也幾乎不與普通物質產生直接的影響。此外，質量大意味著速度慢，可以形成穩定的結構。這些特點使它們成了暗物質粒子的最佳候選者。
不過，這些粒子能否真正解釋暗物質，還取決於它們的數量有多少。與其他種類的粒子一樣，WIMP粒子也是在宇宙大爆炸的“烈焰”中產生的。這些粒子產生又湮滅，數量很不穩定，但隨著宇宙膨脹，溫度降低，這些粒子既不再產生，又不再湮滅，數量就固定了下來。根據WIMP粒子預期的質量以及它們相互作用的強度，物理學家很容易計算出會有多少WIMP粒子被保留下來。令人驚訝的是，這樣計算出來的WIMP粒子數量不多不少，剛好能夠解釋今天宇宙中的暗物質。這對物理學家是一個極大的鼓舞。
那麼接下來的事情自然就是去尋找了。遺憾的是由於WIMP粒子幾乎不與普通物質發生相互作用，你很難找到它們。比如，當你在讀這篇文章的時候，已經有數十億這種粒子穿過你的身體了，但平均需要一年，才有可能一個WIMP粒子被你身上的原子散射後，釋放出極其微弱的能量。如今為了捕捉這些信號，物理學家大海撈針般地建起了龐大的粒子探測器；還有人甚至希望在歐洲大型強子對撞機上直接合成出它們。
還有其他候選者嗎？
但WIMP粒子難道是理論上唯一的暗物質候選粒子嗎？也並非如此。
事實上，有物理學家已經提出或許還存在一種比WIMP粒子更“孤僻”的粒子，他們稱之為“超級WIMP粒子”。WIMP粒子已經夠“孤僻”了吧，但它們畢竟跟普通物質還有弱核力，而超級WIMP粒子呢，甚至連弱核力作用也沒有，單剩一個引力作用，可以稱得上是“超級孤僻”。壓根兒不參與弱核力作用，卻稱之超級“弱相互作用大質量粒子（WIMP）”，這已經很有開玩笑的意味了。好在名稱並不重要，關鍵是一能解決問題，二能找到它們。
按照這種理論設想，宇宙誕生最初1納秒中產生的WIMP粒子可能是極不穩定的，短則幾秒，長則數天內，就會衰變成超級WIMP粒子。兩者質量差不多，但今天構成暗物質的正是後者。不論構成暗物質的是WIMP粒子還是超級WIMP粒子，對宇宙的演化都不構成實質上的影響。但在超級WIMP模型裡，宇宙演化有個延遲：因為由WIMP粒子衰變而來的超級WIMP粒子，一開始帶有很高的動能，只有等它速度慢下來才能聚集成團，適合做形成星系的“腳手架”。
既然超級WIMP粒子超級“孤僻”，那探測起來就更困難了。的確，直接探測已不可能，只能採用間接的辦法。一種想法是這樣：既然比起WIMP模型，在超級WIMP模型裡宇宙演化有個延遲，在這段時間裡，暗物質的“腳手架”還沒搭好，而宇宙卻在一直膨脹著，物質被膨脹所稀釋，它們要形成星系就越發困難了，除非暗物質暈的密度更大，引力更強，才能挽回局面。所以，暗物質暈的密度或許能夠揭示構成暗物質的是WIMP粒子還是超級WIMP粒子。
此外，WIMP粒子在衰變的過程中，或許會產生光子、電子之類的副產品。我們可以通過它們間接推知超級WIMP粒子的存在。
甚至有人提出，如果構成暗物質的真是超級WIMP粒子，而超級WIMP粒子又是由WIMP粒子衰變來的，那麼實在沒必要要求WIMP粒子“孤僻”，只要保證超級WIMP粒子“孤僻”就夠了。這樣一來，說不定WIMP粒子還帶電荷，參與電磁作用，它的衰變我們在實驗室就能探測到。
存在一個隱秘的“黑暗帝國”？
假如有個熟人，你幾乎天天與他生活在一起，而後來證明竟然是間諜。從那以後你會不會患上多疑症，以為周圍潛藏著一張巨大的間諜網，所有人都可能是間諜呢？
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暗物質的發現也震驚了物理學家。他們自詡明察秋毫，而宇宙中90%的物質就在眼皮底下，竟然被他們忽視了。於是，隨著暗物質的發現，他們的“多疑症”也犯了。有人提出，或許除了看得見的世界，還存在一個暗世界，那裡有一套它自己的規則：存在一套我們看不見的基本粒子；包含我們看不見的電子、質子和中子，構成我們看不見的原子和分子；然後構建出我們看不見的行星和恆星，甚至進化出我們看不見的人類；當他們觀察我們這個世界時，把我們世界裡的普通物質稱為“暗物質”。
這讓人忍俊不禁地想起俄羅斯小說裡一段對天堂的描述“我看到一個馬伕的影子拿著一把刷子的影子在擦一輛馬車的影子。”
遺憾的是，這麼“奔放”的猜想恐怕很難成立。首先，我們銀河系的銀盤是扁平的，如果暗物質的行為在“黑暗帝國”裡跟普通物質的行為相似，那包裹銀河系的暗物質暈也應該是扁平的，但實際上暗物質暈是球形的。其次，如果存在跟我們世界一模一樣的隱秘粒子，那勢必就要影響到整個宇宙的膨脹，由此一來又會間接影響到我們這個“明亮世界”裡氫和氦元素的合成，因為這兩種元素的含量直接跟宇宙膨脹的快慢有關；這樣一來，它們的含量理論上就不再是現在這個值了，但目前的值與實際觀測符合得很好，從這點倒推回去，也可以把“黑暗帝國”的存在排除掉。
不過，儘管暗物質沒有我們想象的那麼“生機勃勃”，但它們也許並非像目前人們所設想的那樣“死氣沉沉”。一些模型預言，伴隨暗物質出現的，也許還有一種隱秘的暗作用力，甚至暗物質與當今天文學上的另一個謎團——暗能量有一定的作用……但這些是另一個話題了。
本文源自大科技〈科學之謎〉 雜誌文章 歡迎您關注大科技公眾號：hdkj1997
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