前往宇宙黑暗另一面

宋也

也许你会注意到，课堂上，老师们手握粉笔，在黑板上书写 “疑是银河落九天”时，阳光照射下飘落的粉笔灰;放学后，偌大的操场上，同学们奋力一脚踢向足球后扬起的尘土……

无论是粉笔灰还是尘土，我们都可以统称它们为物质，它们既看得见，又摸得着。但如果把所有看得见又摸得着的物质相加起来，也只占据了宇宙大约5%的组成部分。相比之下，看不见也摸不着的暗物质，对宇宙来说可能更加重要，它构成了宇宙黑暗而神秘的另一面。

神秘的星系建筑师

暗物质构成了宇宙中大约1/4的物质，并帮忙塑造出星系宏伟而壮丽的场景。然而，尽管我们费尽心力去寻找它，这位神秘的星系建筑师仍然在躲避人类的侦察。

几十年来，我们对暗物质的所有了解都不是通过直接观察得来的。暗物质的提出是由于科学家们在观测夜空时，发现了一种诡异的现象：星系外围的恒星速度比预期的速度快，甚至快到足以撕裂我们所看到的星系。科学家们在面对这种诡异现象时出现了两种完全不一样的观点：有些科学家认为，是我们现今的理论出现了错误，所以才无法解释这一现象;而另一些科学家认为，理论是正确的，只是我们算错了。

我们知道，星系由星体、气体等物质组成，它们都围绕星系中心旋转。根据牛顿的引力理论，恒星等物质围绕星系中心的旋转速度和星系的质量以及离星系中心的距离有关，距离越远，旋转速度应该越慢。那为什么科学家们的观测结果，却是距离星系中心很远的恒星有着很快的旋转速度呢？

在深入研究后，科学家们意识到，原来是他们算错了星系质量，真正的星系质量应该比他们观测到的大得多。他们认为，在壮丽星系的幕后，可能潜伏着数量庞大的无形而黑暗的物质，这种物质增加了星系的质量，星系才产生足够的引力拉住外围高速旋转的恒星，星系才能维系住本身复杂的结构，这种物质被称为“暗物质”。

暗物质一经提出，便引发了科学家们的争论：既然暗物质真实存在，那么它究竟是什么？

全新的暗物质世界

在探索暗物质的几十年里，弱相互作用大质量粒子（WIMP）一直是暗物质的“潜力股”。WIMP是一种仍然停留在理论阶段的粒子，它具有以下几点性质：没有电磁作用;只通过弱力和引力产生作用（弱力是四种宇宙基本力中的一种，其余三种分别是引力、电磁力和强力），基本上不通过强力与普通物质相互作用;较大的质量;运动速度缓慢，能够凝聚成团等。

科学家们发现，暗物质的特征和WIMP的性质极为相似。首先，它必须有相当大的质量，否则无法产生可以拉住外围恒星的引力;一般来说，暗物质不能和电磁波发生作用，也不能发射电磁波，所以我们才不能直接观测到它。但暗物质可以凝聚成团，成团后的暗物质质量很大，大到可以弯曲光线，而光是一种电磁波（根据爱因斯坦的理论，当物体质量大到一定程度，这个物体可以弯曲光线）。我们可以通过观察光线是否弯曲，来判断星系的某处是否有暗物质;最后，它不与强力发生作用，也不能和普通物质相互作用。

它之所以能成为暗物质最热门的怀疑对象，还有着一个惊人的巧合：科学家们计算出的从早期宇宙中存活下来的弱相互作用大质量粒子数量，恰好相当于观测结果所需的暗物质数量，这个巧合也被称为WIMP奇迹。而且，如果WIMP是暗物质粒子的话，那么通过探测器也可以探测到它与普通物质的弱相互作用。

相似的性质、惊人的巧合和弱相互作用的可探测性，让WIMP在科学界广受青睐。但近年来，一些奇怪的观测结果似乎暗示暗物质可能比这复杂得多。

首先，科學家们观测发现，暗物质在星系内的分布似乎比WIMP模型所预测的更加均匀，现今的理论也无法解释这一结果;其次，地球上的粒子实验也显示了某些异常：2016年，在匈牙利的一家核物理实验室内，研究人员注意到，当铍8（天然铍的一种同位素）衰变成电子和正电子时，它们以几乎相反的方向发射出去，这是十分异常的行为，而现今没有一种自然力量能够解释它。

这些奇怪的观测结果使得新一批的暗物质猎人将“暗物质是什么？”推向了一个新方向：暗物质由一系列新的粒子组成，这些粒子都通过一种宇宙中没有任何东西能感觉到的隐形力量相互作用，组成了与我们熟知的世界共同存在的、平行运行的黑暗区域，黑暗区域内甚至可能形成它们自己的原子和分子，而这种隐形力量也许是宇宙的第五种基本力。至此，一个全新的暗物质世界被成功开启。

而且在他们看来，如果这个暗物质世界可以和正常的宇宙也就是我们熟知的世界交换信息的话，必定会有一些罕见的接触点，这些接触点是暗物质粒子和普通物质粒子作用的“门户”，它们应当是可以和暗物质粒子相互作用的粒子。因此，寻找这样的粒子成为第一要务。

光明与黑暗的使者

在缩小粒子范围、重重选拔后，科学家们确定了可能与暗物质粒子相互作用的三种粒子，它们分别是光子、希格斯玻色子和中微子。

第一种粒子是光子，和它相互作用的暗物质粒子被称为暗光子。就像光子会携带电磁辐射一样，暗光子也会携带暗能量，并在第五种力的作用下和黑暗区域的其他粒子相互作用。而且暗光子似乎显得非常“合群”：它可以和任何带电荷的物体相互作用，而且这些相互作用的强度还不小。

美国国家核物理研究所的研究人员在罗马启动了一台机器，试图窥视这种神秘的暗光子。他们将一束正电子（或反电子）射向大约100微米厚的人造钻石晶片，然后准备观察现象。因为正电子与普通物质作用后会释放带能量的光子，如果能量监测器发现释放的能量偶尔低于正常水平时，那么有可能是产生了和光子不一样的暗光子。

和研究人员在罗马开启的监测光子的机器不同的是，瑞士日内瓦的大型强子对撞机监视着另一种粒子——希格斯玻色子，也被称为“上帝粒子”，被认为是物质的质量之源。

正如前文所说，暗物质给星系提供了质量，所以暗物质粒子肯定是带有质量的，而希格斯玻色子则以给其他粒子提供质量而闻名。如果说希格斯玻色子是宇宙唯一的质量供应商，那么暗物质粒子一定是它的客户，这意味着希格斯玻色子必定与暗物质粒子有着某种密切的联系。

为了找到希格斯玻色子和暗物质粒子质量“交易”的证据，科学家们必须学会如何“看到”看不见的东西。就像人类虽然看不到风，却能通过树叶是否摇摆知道是否刮风一样，科学家们可以用类似的方法寻找暗物质粒子。

事实上，由于希格斯玻色子在到达探测器之前就已经解体，科学家们只能通过追踪希格斯玻色子衰变产生的粒子，“还原”出希格斯玻色子。如此说来，也只能通过观察希格斯玻色子衰变后的粒子，来寻找可能的暗物质粒子了。如果希格斯玻色子衰变成某些粒子的行为出现异常，这可能就意味着一些希格斯玻色子正在悄悄地转变成暗希格斯玻色子，或者是与暗物质粒子相互作用的另一种粒子。

第三个黑暗世界的“门户”是已知粒子中最小、最轻，也是最不“合群”的中微子。它们几乎不与任何物质发生反应，即便每天有几十亿个以接近光速运动着的中微子穿过你的身体，你也依然毫发无损。已知的三种中微子（电子中微子、μ中微子和τ中微子）在某种程度上能够互相随意转化，它们的质量更是轻得令人难以置信。

最近，科学家发现了第四种更重的无菌中微子（也叫惰性中微子），它比其他三种中微子更难发现，并且具有暗物质粒子的特征，暗物质还能通过无菌中微子转化为普通物质。但和光子、希格斯玻色子不同的是，它还需要另一个粒子的参与，才能和暗物质粒子相互作用。

“加入一个未知粒子让事情变得更加复杂了。”科学家说，也许这解释了为何科学家们更愿意相信，和光子以及希格斯玻色子对比起来，中微子和暗物质的关联并不大。

暗物质的研究是如今最引人入胜的前沿研究领域之一，虽然我们不知道它是由什么构成的，但我们已经确定它是由某些不同于构成质子、中子和电子等普通物质的粒子组成的。接下来，科学家们依然会继续试着解读暗物质，直到打开黑暗世界的大门，然后看一看宇宙黑暗而怪异的另一面。