謝懿

如果暗物質(zhì)是喬裝改扮的普通物質(zhì)，又會(huì)怎么樣？

它們是物質(zhì)，但不是我們所知的物質(zhì)。2015年7月，一個(gè)不速之客出現(xiàn)在位于瑞士日內(nèi)瓦附近歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中。這種奇特的粒子名曰五夸克，代表了一種構(gòu)建物質(zhì)基本組成要件的全新方式。雖然它早就為理論所預(yù)言，但此前一直沒有發(fā)現(xiàn)其存在的確鑿證據(jù)。

這件事情對(duì)格倫·斯塔克曼來說絕對(duì)是一個(gè)天大的好消息。作為美國凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的一名理論物理學(xué)家，斯塔克曼有一個(gè)大膽的想法：宇宙中還存在有待發(fā)現(xiàn)的更為奇特的普通物質(zhì)形式。從挖掘封存在引力波探測器中的數(shù)據(jù)，到搜尋古老的礦物，再到去月球上放置月震儀，他大膽地建議通過各種手段來尋找這些另類物質(zhì)的蛛絲馬跡。他甚至認(rèn)為，這些有著特殊構(gòu)成的普通物質(zhì)可以解決我們這個(gè)時(shí)代最大的宇宙謎團(tuán)之一——暗物質(zhì)。

從很久以前開始，當(dāng)物理學(xué)家面對(duì)難題的時(shí)候，常常會(huì)“發(fā)明”出超出當(dāng)時(shí)已知的粒子來作為問題的答案。諾貝爾獎(jiǎng)獲得者沃爾夫?qū)づ堇沁@一做法的首創(chuàng)者之一。他在1930年提出，在某些實(shí)驗(yàn)中缺失的能量是被一種逃逸出去且難以捉摸的粒子帶走了。泡利對(duì)自己的這一“發(fā)明”并不滿意?！拔易隽艘患膳碌氖虑椋彼f，“我假定了一種無法被探測到的粒子。”不過，他其實(shí)大可不必?fù)?dān)心——1956年，我們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這種粒子，現(xiàn)在被稱為中微子。

從那時(shí)起，物理學(xué)家便一直忙于“發(fā)明”各種各樣的粒子，并在這個(gè)過程中建立起了標(biāo)準(zhǔn)模型——對(duì)粒子及其相互作用的最完整描述。2012年發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子給了標(biāo)準(zhǔn)模型至高無上的榮耀，它可以解釋粒子為什么具有質(zhì)量。

但標(biāo)準(zhǔn)模型也令物理學(xué)家感到不悅。它的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)顯得有點(diǎn)零碎，仍包含很多空白，尤其是不能解釋暗物質(zhì)。暗物質(zhì)占據(jù)了宇宙中物質(zhì)成分的85%，但它們既不吸收也不發(fā)出光線，與其他物質(zhì)只有極其微弱的相互作用。

面對(duì)這一謎題，物理學(xué)家遵循傳統(tǒng)，“發(fā)明”出了暗物質(zhì)粒子各式各樣的候選體，從質(zhì)量較小的弱相互作用大質(zhì)量粒子到會(huì)衰變的超重暗物質(zhì)粒子，但至今無一被確認(rèn)。超對(duì)稱性預(yù)言所有已知粒子都有一個(gè)質(zhì)量更大的超伙伴粒子，到目前也一無所獲。

沿著這條路你會(huì)發(fā)現(xiàn)，在某個(gè)地方“發(fā)明”新粒子這一萬金油似乎也失效了。這使得斯塔克曼得出了一個(gè)具有挑釁性的結(jié)論。“你看，標(biāo)準(zhǔn)模型在實(shí)驗(yàn)上是成功的，”他說，“因此，我們需要克服的僅僅是關(guān)于它的哲學(xué)和美學(xué)問題。”與不斷地“發(fā)明”粒子不同，斯塔克曼認(rèn)為，我們需要更加審慎地看待已經(jīng)知道的事物，也許已有的粒子就能解決這些問題。

研究人員用大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)發(fā)現(xiàn)了一種被稱為五夸克的新粒子。這幅圖顯示了五夸克粒子中夸克分布的一種可能。

要形成我們周遭的物質(zhì)，基本粒子必須要以一定的配置聚集到一起。例如，3個(gè)夸克結(jié)合在一起便形成了重子;構(gòu)成原子核的質(zhì)子和中子都由3個(gè)夸克組成（質(zhì)子含有2個(gè)上夸克和1個(gè)下夸克，中子含有1個(gè)上夸克和2個(gè)下夸克）;上、下夸克是6種夸克中質(zhì)量最輕的。我們還知道一種夸克和反夸克的短命組合，被稱為介子。

不過，夸克本身就很古怪。由于把它們束縛在一起的強(qiáng)核力的特殊屬性，它們無法自由地出現(xiàn)。當(dāng)夸克之間的距離較小時(shí)，強(qiáng)核力較弱。但當(dāng)這個(gè)距離增大時(shí)，這個(gè)力就會(huì)變強(qiáng)，把夸克拉回到一起。強(qiáng)核力的另一個(gè)奇特性質(zhì)在于它在高能量下會(huì)變?nèi)?，例如在大型?qiáng)子對(duì)撞機(jī)中粒子碰撞時(shí)。物理學(xué)家可以計(jì)算出在這些高能量下夸克是如何相互作用的，但低能量下把夸克束縛在一起強(qiáng)核力會(huì)變強(qiáng)。其結(jié)果是，物理學(xué)家仍然很難解釋夸克是如何構(gòu)成介子和重子的，因?yàn)檫@一過程發(fā)生在較低的能量下。

這一不確定性使得有些科學(xué)家提出物質(zhì)可能還存在其他組成形式的觀點(diǎn)。早在20世紀(jì)80年代，美國普林斯頓大學(xué)的數(shù)學(xué)物理學(xué)家愛德華·威滕就提出，以不尋常的方式，輕夸克可以結(jié)合成較重的夸克，例如奇異夸克。

不同于普通物質(zhì)，夸克的這些組合不會(huì)形成原子核。相反，它們會(huì)發(fā)育壯大，在一個(gè)狹小的空間中越聚越多。威滕稱它們?yōu)椤翱淇私饓K”。此后，英國倫敦大學(xué)學(xué)院的理論物理學(xué)家布萊恩·林恩和其他人將其推廣，提出了“奇異重子物質(zhì)”和“手性滴”的概念。

五夸克的另一種可能的布局方式，顯示了一個(gè)介子（由一個(gè)夸克和一個(gè)反夸克組成），以及由三個(gè)夸克弱鍵組合成的重子。

不像我們?cè)谄胀ㄎ镔|(zhì)的原子核里所見的那樣，由這些已知基本粒子構(gòu)成的這類奇特團(tuán)塊不會(huì)占據(jù)碩大的空間。這使得它們致密得像中子星，一茶匙就重如一座大山。因此，即使它們的質(zhì)量非常大，但它們的尺寸也能夠很微小。一些科學(xué)家將它們稱為“宏子”macro），用來表征它們的質(zhì)量在千克或噸的宏觀水平上，而非用于基本粒子的微觀單位。

由于宏子完全由核物質(zhì)構(gòu)成，沒有任何繞轉(zhuǎn)的電子或空隙，因此無法維持核聚變，也就不能發(fā)光。這些團(tuán)塊的高密度也使得它們不太可能與入射的光發(fā)生相互作用?？傊?，宏子身材較小、質(zhì)量巨大，即便不是完全不可見，也極難被探測到。

探測宏子

這聽起來就像是暗物質(zhì)的完美解釋。但物理學(xué)家以前并不看好這個(gè)想法，原因有二。首先，即便宏子是質(zhì)量和太陽、褐矮星或黑洞相當(dāng)?shù)闹旅芴祗w，想要解釋暗物質(zhì)，它們的數(shù)量也必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過可見的恒星。如果是這樣的話，宏子會(huì)頻繁地從恒星發(fā)出到達(dá)地球的光線，這一現(xiàn)象被稱為引力透鏡。但我們觀測到的光線彎曲事件的數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到這一程度，只能用我們熟悉的普通物質(zhì)天體來解釋。其次，我們已經(jīng)知道，如果核物質(zhì)分布于貫穿整個(gè)宇宙的一個(gè)薄層中，它們會(huì)和其他物質(zhì)發(fā)生相互作用，阻礙星系的形成。

不過，當(dāng)斯塔克曼和他的同事仔細(xì)研究后發(fā)現(xiàn)，宏子其實(shí)不必這么大，進(jìn)而降低導(dǎo)致引力透鏡的頻次，也不必分布得這么薄，進(jìn)而避免和任何物質(zhì)發(fā)生相互作用。聚集形成中等尺度——既不太大，也不太小——的規(guī)模就可以與現(xiàn)有的宇宙學(xué)觀測相符。

考慮到這一點(diǎn)，斯塔克曼和他的同事已開始尋找這些中型宏子存在的證據(jù)。“這幾乎是我們應(yīng)該做的最傻但又絕對(duì)是最明顯的事情。”斯塔克曼的合作者、南非開普敦大學(xué)的戴維·雅各布斯說。

他們開始試圖搞清楚在其允許質(zhì)量的最低端的宏子是否有可能已經(jīng)留下了一些蛛絲馬跡。這意味著重新審視美國加州大學(xué)伯克利分校物理學(xué)家保羅·比福德·普賴斯的工作，他早在20世紀(jì)80年代便在地殼中搜尋過大質(zhì)量粒子的跡象。普賴斯認(rèn)為，較重的弱相互作用粒子會(huì)時(shí)不時(shí)地撞擊深埋地下的云母礦物晶格。但他在大英博物館和史密森學(xué)會(huì)收集的樣本中并沒有發(fā)現(xiàn)任何痕跡。

20世紀(jì)70年代，科學(xué)家在天空實(shí)驗(yàn)室空間站上安裝了聚碳酸酯塑料片，希望能發(fā)現(xiàn)粒子穿過這些塑料時(shí)留下的痕跡。具體來說，當(dāng)時(shí)是在尋找低能量的宇宙射線粒子。斯塔克曼計(jì)算發(fā)現(xiàn)，宏子也有可能混在這些物質(zhì)中，但對(duì)天空實(shí)驗(yàn)室塑料片的重新檢查并沒有找到任何與之有關(guān)的跡象。

然后是“鸚鵡螺”實(shí)驗(yàn)裝置，它位于意大利羅馬附近，從20世紀(jì)90年代開始一直在搜尋引力波。它由一個(gè)2噸重的超低溫冷卻鋁制圓柱體組成，探測裝置密切監(jiān)測它，看它是否存在因有引力波穿過拉伸時(shí)空所導(dǎo)致的柱體形變。斯塔克曼、雅各布斯和同在開普敦大學(xué)的阿曼達(dá)·韋爾特曼計(jì)算發(fā)現(xiàn)，若有宏子穿過這個(gè)探測器，就會(huì)和其中的鋁發(fā)生相互作用，由此釋放出的能量會(huì)使得柱體被加熱并發(fā)生非常輕微的形變。但可惜的是，他們并沒有發(fā)現(xiàn)宏子的跡象。

這些實(shí)驗(yàn)的一無所獲讓斯塔克曼進(jìn)一步限制了宏子質(zhì)量的范圍，但這個(gè)范圍依然很大，從大約50克到珠穆朗瑪峰的質(zhì)量不等。

現(xiàn)在是時(shí)候提出進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)來縮小這一范圍了。雅各布斯希望，用于研究鯨或者探測非法核武器試驗(yàn)的水下測音器也許能聽到宏子穿過海洋時(shí)引發(fā)的振動(dòng)。他還計(jì)劃使用宇宙射線探測器的數(shù)據(jù)。這些探測器被設(shè)計(jì)來探測外太空的質(zhì)子或輕原子核撞擊上層大氣所導(dǎo)致的粒子簇射。如果宏子和地球大氣發(fā)生相互作用，會(huì)產(chǎn)生特有的光信號(hào)，但宇宙射線探測器上并沒有可以探測天空中這些信號(hào)的程序。斯塔克曼正試圖說服位于阿根廷的皮埃爾·奧熱天文臺(tái)改編它的探測器程序。

最好的辦法是在距離地球稍有點(diǎn)遠(yuǎn)的地方：月球。1972年，當(dāng)最后一批“阿波羅”宇航員離開月球時(shí)，他們留下了一個(gè)由四個(gè)月震儀組成的網(wǎng)絡(luò)。在接下去的5年中，這些設(shè)備記錄了數(shù)千次由隕星撞擊、潮汐或者是月殼因溫度差異膨脹所造成的月震事件。很顯然，雖然比地球上的少得多——因?yàn)榈厍蛴胁粩嘁苿?dòng)的板塊和流動(dòng)的巖漿，但月震也很活躍。這些月震數(shù)據(jù)有可能揭示出宏子的存在。

將鸚鵡螺引力波探測器從低溫恒溫器中提取出并進(jìn)行升級(jí)

BkadfiTBeJPJkuPk6c1b5oEkvo6Dyp0BMJ84Wy9FLmk=“阿波羅”正在月面上放置月震儀

2002年，科學(xué)家在地球地震數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了宏子的疑似信號(hào)，但最后仍是一場虛驚，原因是地震儀的時(shí)鐘出現(xiàn)了偏差?，F(xiàn)在，斯塔克曼及其同事想利用相對(duì)安靜的月球環(huán)境，來探測當(dāng)一個(gè)中等質(zhì)量的宏子穿過月球時(shí)所引發(fā)的一系列呈線形分布的月震。

安放在月球上的地震儀相當(dāng)簡陋，但行星地質(zhì)學(xué)家正在計(jì)劃把更好的儀器送往那里。美國航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的布魯斯·本內(nèi)特及其同事已為月球上更靈敏的月震探測網(wǎng)制訂了方案，并為將于2016年發(fā)射的“洞悉”火星任務(wù)建造了一臺(tái)?！拔也恢酪慌_(tái)地震儀要多靈敏，直到我必須去造一臺(tái)。”他說。他的火星地震儀非常靈敏，可以精確測定震源的位置，誤差大約只有一個(gè)氫原子半徑那么大，足以發(fā)現(xiàn)途經(jīng)的宏子。

去這些極端的環(huán)境捕捉“阿波羅”正在月面上放置月震儀皮埃爾·奧熱天文臺(tái)的一個(gè)監(jiān)測站來自外太空的宏子是否真的值得呢？由于難以計(jì)算它們的行為，因此科學(xué)家仍無法確定宏子是否能大量形成來充當(dāng)暗物質(zhì)，也不清楚它們是否能穩(wěn)定地聚集在一起。

這還不是唯一的問題?！拔铱床怀鋈绾尾拍馨阉谌敫蟮膱D像中，”美國麻省理工學(xué)院的理論物理學(xué)家弗蘭克·韋爾切克說，“這些東西要如何才能形成？”他還提出，如果宏子真的存在，形成它們所需的能量可能會(huì)比形成普通核物質(zhì)所需的能量更少。這就帶來了一個(gè)問題：為什么我們周圍有這么多的普通物質(zhì)。

放眼低能標(biāo)

更重要的是，暗物質(zhì)的概念并不是偶然提出的。韋爾切克補(bǔ)充道：“如果被證明是錯(cuò)誤的，那我會(huì)很失望。畢竟，它從邏輯上源于我們?cè)噲D完善基本理論，并且看上去是那么充滿希望。”

英國諾丁漢大學(xué)的宇宙學(xué)家安妮·格林則更加務(wù)實(shí)。“宏子也許不及弱相互作用大質(zhì)量粒子或者其他的暗物質(zhì)候選粒子那樣在理論上有很強(qiáng)的動(dòng)機(jī)，但也絕非不可能?！彼f，“在現(xiàn)有的天體物理和宇宙學(xué)數(shù)據(jù)中尋找宏子的跡象，毫無疑問是值得期待的。”

宏子的發(fā)現(xiàn)肯定會(huì)引發(fā)巨大的轟動(dòng)。作為開始，這將意味著此前物理學(xué)家“發(fā)明”并極力尋找的各種各樣的奇異粒子根本就不存在?！叭绻覀兪钦_的，那么這意味著大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)不會(huì)探測到暗物質(zhì)的候選體?！毖鸥鞑妓拐f。

目前還沒有人叫停這些搜索工作。但是，與對(duì)撞機(jī)追求越來越高的粒子撞擊能量不同，也許我們應(yīng)該在能量較低的夸克上尋找答案，以便更好地了解核物質(zhì)的特性。我們最終可能發(fā)現(xiàn)，我們熟知并鐘愛的普通基本粒子也能夠以一些特殊的方式聚集到一起，我們熟悉的重子物質(zhì)也能變得很奇特。

皮埃爾·奧熱天文臺(tái)的一個(gè)監(jiān)測站