到目前为止,试图通过发现一些新粒子来解释宇宙中消失的质量还是一条死胡同。说不定暗物质只是某种伪装的普通物质。
2015年7月,CERN的大型强子对撞机迎来了一位“不速之客”。它的名字是五夸克态,这种粒子代表着一种凝聚物质基础部件的截然不同的新方式。这种方式对格伦·斯塔克曼(Glenn Starkman)来说不啻是天籁之音。这位来自美国俄亥俄州克利夫兰市凯斯西储大学的理论物理学家提出了一个大胆的想法:普通物质以某种别的形式存在着,也许它的量大到足以解释宇宙中让人捉摸不定的暗物质。
要形成我们日常所接触的物质,基础粒子就要以某种标准的方式聚集在一起。夸克三三成群,组成了我们称为重子的粒子,这包括了组成原子核的质子和中子。我们也知道一种转瞬即逝的由正夸克和负夸克结合而成的粒子——介子。
但是夸克是很古怪的:它们从来不会落单,这是由将夸克结合在一起的强核力造成的。当夸克间距离很小时,这种力很小;当距离增大时,力会变大,把夸克拉回原位。这种力在其他层面上也很复杂,物理学家也为如何具体解释夸克形成介子和重子的过程而挠头。
奇异的夸克
这种不确定性导致了一种新的可能性:物质可能以其他形式存在。早在20世纪80年代,来自普林斯顿大学的数学家、物理学家爱德华·威滕(Edward Witten)就提出,质量较小的夸克可以以非同寻常的方式组成质量大得多的合体形态,如奇夸克(见图6.5)。这些夸克聚拢成一大团不规则的团块,在一个小区域内越聚越多。威滕把它们称为“夸克块”。英国伦敦大学学院的理论物理学家布莱恩·林恩(Bryan Lynn)和其他研究者将这一观点推广,提出了“奇异重子物质”和“手性液滴”的概念。
类似的由常见的基础粒子构成的奇异团块,可以像中子星一样致密——一汤匙这种物质的质量就和一座大山一样大。有些研究者将其称为“宏子”(macro),这是因为这种粒子的质量通常以千克或吨来标度,而不是通常的粒子所采用的那种极其微小的单位。宏子无法持续聚变,因此不会发光;而它们的体积又太小,不能从别的地方反射或者吸收太多的光线。简言之,它们几乎是隐身的。
听起来这似乎是暗物质的完美“配方”,但是物理学家最近已经不再认真考虑这个想法了,原因有两个。
(1)如果宏子的体积和太阳差不多,它就会是一个和褐矮星、黑洞类似的致密天体,而要解释暗物质,这种致密天体的数量会远比可见的恒星多。果真如此的话,宏子会在星光抵达地球前使其弯曲,形成一种我们称为引力透镜的效应。
(2)如果核子物质像一层地毯一般铺满整个宇宙的话,那么它既会与自己发生作用,又会与其他物质作用,从而阻止星系形成,我们今天看到的星系也就会完全变样了。
然而,当斯塔克曼进行更进一步的研究时,他注意到宏子的质量不一定非得大到可以产生引力透镜效应,也不一定弥散于整个宇宙,与所有物质频繁作用。当它们不大不小、体积适中时,就会与当下的宇宙学观测结果相符。
太空中的粒子
考虑妥当后,斯塔克曼开始与同事合作,搜寻这种中等大小的宏子。他们首先想计算出,在允许的质量范围内最轻的宏子可能出现在什么地方,它们有可能会在矿井中或者在天空实验室空间站中放置的塑料板上留下痕迹,于是他们就可以捕捉到太空中的宏子。这一搜寻工作最后无功而返,反过来让斯塔克曼把宏子的质量限定到了一个范围内——在50克到珠穆朗玛峰的质量之间。
现在,斯塔克曼的合作者,南非开普敦大学的大卫·雅各布斯(David Jacobs)寄希望于海洋水听器——这种仪器通常用于研究鲸鱼或者跟踪非法核试验。他希望能探测到宏子穿过海洋所产生的冲击波。他还计划研究宇宙射线探测器的数据,寻找当宏子撞击地球大气层时所产生的特征性光信号。
实际上,我们的“杀手锏”离我们的距离还有点远。NASA的最后一次阿波罗登月任务在月球上留下了一个(共4台)地震仪网络,它们可能会揭示宏子的影响。这些地震仪实际上很简陋,所以行星地质学家计划用更好的仪器将其替代:布鲁斯·本内特(Bruce Banerdt)来自位于美国加利福尼亚州帕萨迪纳市的NASA喷气推进实验室,他和他的同事们谋划着组建一个更为灵敏的地震仪探测网络。
如果有朝一日我们可以发现这些微小的效应,将会产生深远的影响。这就意味着,一大堆之前被物理学家提出来并苦苦追寻的奇特粒子(见图6.6)可能压根就不存在,而我们熟知又喜爱的普通基础粒子可以以某种奇特的方式聚集在一起。
暗物质搜寻之旅还会发生什么?
目前,暗物质正处在一个十字路口。在当下,没有多少问题能比暗物质的探测和本质更吸引物理学家和天文学家的注意。直到现在,人们有关暗物质的言论还只是一些捕风捉影的猜测,缺乏过硬的铁证。
不过这种情况可能很快就要改变了。任何一种暗物质探测手段——无论是在矿井深处的直接探测,还是空间望远镜的间接探测,或是大型强子对撞机的对撞实验——都离探测出结果很近了。CoGeNT和DAMA/LIBRA这两个实验,是否已经看到暗物质的蛛丝马迹了?费米望远镜观察到的来自银河系中心的伽马射线是否来自暗物质?对此现在依然众说纷纭,但是时间和更多的数据会为我们揭晓答案。
如果暗物质真的是由弱相互作用大质量粒子组成的,如超对称理论预言的那些粒子,那么我们很快就能获得胜利了。而如果在未来的10年里我们还是不能探测到这样的粒子释放的信号,物理学家就不得不把现在对暗物质的所有理解都抛诸脑后,然后提出一些新的可能性。也许暗物质是完全惰性的,根本不会和普通物质作用。如果真是如此,那么它根本无法被目前物理学家所设计的实验探测到,这将是暗物质猎手们的终极噩梦。
采访:追梦暗光
蒂姆·纳尔逊( Tim Nelson)是一位来自美国加利福尼亚州门洛帕克市的SLAC国家加速器实验室的物理学家。他认为,要想知道暗物质有没有只属于自己的黑暗力量,就必须先找到暗物质。
为什么你认为存在第五种力?
物理学中的4种最基本的相互作用力——引力、电磁力、强核力和弱核力——都已经被人们深入了解了,但是说不定还有一种力,可能我们现在还没有注意到,也许原因就是它的强度实在太弱了。搜索新力的工作已经开展很长一段时间了。但是在这里我们要寻找的力是一种不同寻常的力:它基本只作用于暗物质。正如普通物质伴随着一批粒子与相应的力,我深信,暗物质不过是粒子与力所在的最轻、最稳定的暗区中尚未被发现的物质。
是什么原因让你相信这个暗区存在?
关于暗区,你考虑得越多,它就显得越合理。我们知道暗物质的存在,而且它们之间有引力作用,换句话说,它们有质量——大部分暗物质大概是以粒子的形式存在的。很多研究者的思路走进了一个死胡同,认为暗物质是由弱相互作用大质量粒子组成的,但是对这种粒子的搜寻——如用地下探测器或者用大型强子对撞机——却是竹篮打水一场空,留给我们发现弱相互作用大质量粒子的空间已经不多了。如果暗物质并不仅仅是弱相互作用大质量粒子,那么一种可能性是暗物质是另一种黑暗的粒子,它们之间的相互作用是通过另一套体系实现的。
这是否意味着暗物质可能有着多姿多彩的成分?
是的。粒子物理学的标准模型中包含很多粒子,其中有一部分可以携带力,如光子。这种普通物质只占宇宙中物质的大约1/6,剩下的都是暗物质。所以为什么它不会由多种成分组成呢?当你一旦推倒这道思维的壁垒,你会一下子发现众多的可能性。不过一口气吃不成胖子,我们第一步还是要先考虑最简单的对象,那就是电磁波的黑暗对应体,我们称之为“暗光子”。
你们实验室会怎样搜寻暗光子?
我觉得,暗光子会通过所谓的动力学混合的过程与普通光子混杂在一起。这意味着暗光子可以转化为普通光子,反之亦然——尽管发生的概率非常低。所以,从原理上说,如果你在一个实验里可以制出大量的高能光子,你同时也在以一个低得多的概率生成暗光子。
你们实验室如何探测暗光子?
暗光子不会像普通光子一样没有质量,否则的话,其性质就会和我们理解的暗物质的性质相违背了。事实上,它的质量范围很广。这就意味着我们虽然不能直接观察到暗光子,但是可以用测量任何带质量粒子的方式去探测暗光子。
你们实验室有没有开始这种探测?
是的,我们利用美国托马斯·杰斐逊国家加速器装置[TJNAF,俗称杰斐逊实验室(Jlab)]开展了一个重光子搜寻实验,用一束高能电子撞击钨箔。在这么做的时候,电子会突然撞击到阻碍物,你就能探测到减速辐射。这种辐射实质上就是一束光子,而如果暗光子存在的话,撞击也会辐射暗光子,当然概率会低得多。接下来发生的事情就取决于暗光子是不是暗区里最轻的粒子了。实验中是这么假设的,果真如此的话它们会通过动力学混合过程而衰减,形成诸如电子–正电子对的普通物质,这样我们就能探测了。
万一暗光子比预期的质量更大会怎么样呢?
我们假设最轻的暗物质粒子占据着暗物质中的大部分质量。如果暗光子不是暗区中最轻的粒子,那么它就不会衰减成普通物质;反之,它总是会衰减成暗物质。这意味着我们用现有的实验无法观测,但是这也能促成一些有趣的新想法。如果实验中有足够厚的钨箔,而我们能创造出大量的快速运动的暗光子,它们都会衰减成暗物质,所以原则上我们就创造了一束暗物质流。我们当然会失去探测暗光子的能力,但是我们有机会直接探测到暗物质。总之,这是一个双赢的实验。
更详细地说说暗物质流吧。
最酷的是,这样我们就可以生成高能的暗物质。我们现有的直接探测暗物质的装置和设施,如大型地下氙(Large Underground Xenon,LUX)探测器和低温暗物质搜寻(Cryogenic Dark Matter Search,CDMS)计划地下实验室,都是试图探测绕着星系以相对低速运行的暗物质。当暗物质撞上探测器时,会留下一部分很小的能量,它是很难被探测到的。这就是为什么我们必须把探测器埋在矿井里——厚重的地面可以屏蔽掉许多杂散信号。但是如果有一束高能暗物质流,我们可以直接用常见的粒子探测器来对着它进行研究。
探测暗物质是否确切存在对整个人类意味着什么?
会像哥白尼的日心说一样,再一次证明我们并不处于宇宙的中心,我们以为构成宇宙的那些东西不过是冰山一角。从原理上相信这一点是一回事,在如山铁证前直面它则是完全不同的另一回事。