謝懿

我們也許已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了不可觸碰的影子世界的線索。

到目前為止，搜尋暗物質(zhì)的科學(xué)家收獲的只有遺憾。每當(dāng)即將捕捉到這些占據(jù)宇宙物質(zhì)主導(dǎo)的粒子時(shí)，它們都會(huì)再一次從科學(xué)家的指尖悄然溜走。至今也沒有看到預(yù)期中的暗物質(zhì)信號(hào)，又或者是眼睜睜地看著曾經(jīng)一度令人興奮不已的現(xiàn)象慢慢地消失在探測(cè)器的背景噪聲中。每一次都如出一轍：勇敢出行，一無所獲，重新開始。

匈牙利科學(xué)院研究所的實(shí)驗(yàn)裝置探測(cè)到了可能是超出標(biāo)準(zhǔn)型的新粒子的線索。

也許是時(shí)候做出改變了。不同于搜尋某一種的暗物質(zhì)粒子，我們興許應(yīng)該去尋找一系列形形色色的暗粒子和暗力——一個(gè)全新的“暗域”。畢竟，相比于我們所知的從電子到夸克的普通物質(zhì)形式，沒有理由認(rèn)為暗物質(zhì)只有單一的種類。

這里所說的是整個(gè)的影子世界，其中的粒子之間以我們無法感知的方式——完全超越了恒星、行星和你我——來相互作用。這聽上去就像是一個(gè)堂吉訶德式的想法？也許并不是。如果暗力的蛛絲馬跡可以在實(shí)驗(yàn)室中顯現(xiàn)出來，那么這個(gè)影子世界就能慢慢地浮出水面。

早在20世紀(jì)30年代，天文學(xué)家就觀測(cè)到星系團(tuán)中星系運(yùn)動(dòng)的速度要比可見物質(zhì)的引力所能導(dǎo)致的高得多。40多年后，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)星系內(nèi)恒星的運(yùn)動(dòng)速度太快了。按照這個(gè)速度，要么牛頓和愛因斯坦的引力定律需要大幅修改，要么有一些不可見的物質(zhì)形式提供了額外的引力。絕大多數(shù)天文學(xué)家都青睞第二個(gè)方案——暗物質(zhì)。

無論這種物質(zhì)由什么東西構(gòu)成，它必須具有質(zhì)量，因此可以感受并施加引力，但它沒有電荷，因此不會(huì)與光發(fā)生相互作用。這一引力作用還必須非常微弱，科學(xué)家認(rèn)為，暗物質(zhì)只會(huì)與普通物質(zhì)的某些成分以特定的方法發(fā)生微乎其微的相互作用，否則我們也許永遠(yuǎn)也無法探測(cè)到它們了。

幾十年來，領(lǐng)先的候選體一直是弱相互作用大質(zhì)量粒子。但麻煩的是，一系列極其靈敏的探測(cè)器始終無法探測(cè)到它們的任何跡象。2016年7月，位于美國南達(dá)科他州的大型地下氙（LUX）實(shí)驗(yàn)結(jié)束了為期2年的探測(cè)，結(jié)果仍舊是一無所獲。

不過，弱相互作用大質(zhì)量粒子還沒有真正被槍斃。一些天文學(xué)家認(rèn)為，我們已經(jīng)在圍繞銀河系的暗弱矮星系中看到了它們的信號(hào)。但對(duì)其他人來說，是時(shí)候繼續(xù)前進(jìn)了。歷經(jīng)數(shù)十載的搜尋，卻沒有任何發(fā)現(xiàn)，這自然會(huì)使得科學(xué)家開始思考其他的可能性。

一直以來，除了弱相互作用大質(zhì)量粒子之外，對(duì)暗物質(zhì)還有其他各種各樣的猜想，而眼下則有令人信服的理由來重新思考這些可能性。最初，通過精細(xì)測(cè)量星系的自轉(zhuǎn)，可以計(jì)算出其中暗物質(zhì)的分布。簡(jiǎn)單的模型認(rèn)為，暗物質(zhì)在星系的中心會(huì)非常密集。但是，最新的觀測(cè)顯示它們分布得更加均勻。一個(gè)解釋是在暗物質(zhì)粒子之間存在著一種獨(dú)有的相互作用力，把它們打散了。

這個(gè)力的引入可能會(huì)改變暗物質(zhì)的整個(gè)格局。一旦你開始思考暗物質(zhì)粒子之間存在相互作用力，那么你就進(jìn)入了一個(gè)全新的舞臺(tái)。你可以想象出各式各樣的暗物質(zhì)粒子以及它們自身擁有的相互作用力。這將是一個(gè)全新的世界。

關(guān)于暗域的這種推測(cè)其實(shí)并不是全新的想法。早在2006年，研究子彈星團(tuán)——兩個(gè)正在發(fā)生碰撞的星系團(tuán)——的天文學(xué)家提出，若僅根據(jù)暗物質(zhì)和普通物質(zhì)的引力來計(jì)算，無法產(chǎn)生觀測(cè)到的這么高的碰撞速度。他們推測(cè)，暗物質(zhì)粒子間其他的相互作用力提供了所需的額外引力。

詳細(xì)的數(shù)值模擬證明，子彈星團(tuán)的碰撞速度并沒有超出預(yù)期。但是，對(duì)暗力的懷疑從未就此消失。有科學(xué)家提出，地球上粒子實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象也許暗示了它們的存在。例如，普通物質(zhì)介子——相當(dāng)于大質(zhì)量版的電子——的磁性在理論和實(shí)驗(yàn)上存在著長期矛盾，這也許能用一種暗力的承載粒子來解釋?，F(xiàn)在，一個(gè)匈牙利的核物理實(shí)驗(yàn)室可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這種粒子迄今最令人信服的證據(jù)。

匈牙利科學(xué)院核研究所的科學(xué)家測(cè)量了鈹-8的放射性衰變。鈹是一種天然的輕元素，當(dāng)它的核含有4個(gè)質(zhì)子和5個(gè)中子時(shí)是穩(wěn)定的。但若只有4個(gè)中子時(shí)，同位素鈹-8就會(huì)瞬間分裂成2氦原子核。先前的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這一特定的衰變過程存在一些異常，匈牙利的科學(xué)家想要對(duì)其進(jìn)行精確的測(cè)量。

為了制造出鈹-8，他們使用質(zhì)子轟擊由鋰-7做的薄片。鈹-8會(huì)衰變，釋放出正負(fù)電子對(duì)。在標(biāo)準(zhǔn)粒子模型中，絕大多數(shù)正負(fù)電子對(duì)應(yīng)該會(huì)沿著與入射質(zhì)子束幾乎相同的方向射出。但匈牙利科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，有兩個(gè)意料之外的明顯外流，方向與預(yù)期的幾乎成直角。對(duì)此的一種解釋是，這一衰變產(chǎn)生了一個(gè)慢速運(yùn)動(dòng)的粒子，它的壽命很短，之后會(huì)衰變成一個(gè)電子和正電子，這兩者會(huì)沿著幾乎相反的方向運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)該團(tuán)隊(duì)計(jì)算出這個(gè)假想粒子的質(zhì)量時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)它與標(biāo)準(zhǔn)模型中的任何一種粒子都不相符。相反，計(jì)算表明，它的質(zhì)量約為1 7兆電子伏特，僅為電子質(zhì)量的3 3倍，遠(yuǎn)小于任何弱相互作用大質(zhì)量粒子。沒有已知的自然力可以創(chuàng)造出這種粒子。

對(duì)這一異常進(jìn)行了3年的研究后，該團(tuán)隊(duì)在2015年發(fā)表了他們的結(jié)果。他們把這一粒子稱為“暗光子”。類似于光子承載了電磁相互作用，這種粒子承載了暗物質(zhì)粒子之間的一種未知作用力。

從論文的描述來看，匈牙利團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)該沒有問題。他們也做了很多的交叉檢查，但就是無法消除這一現(xiàn)象?，F(xiàn)在，他們已經(jīng)觀測(cè)到了數(shù)百次類似的結(jié)果。這一結(jié)果純屬偶然發(fā)生的概率只有2×10-11。不過，這篇論文并沒有引起多大的波瀾。

根據(jù)這一結(jié)果，有科學(xué)家正在尋求自己的解釋。但在這之前需要解決一個(gè)揮之不去的問題——發(fā)現(xiàn)這一新假想粒子的匈牙利團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)世界上絕大多數(shù)物理實(shí)驗(yàn)室都可以進(jìn)行，為什么此前沒有其他人注意到這一異常呢？

這一假想的暗光子以及它承載的暗物質(zhì)粒子之間的暗力，應(yīng)該也會(huì)承載一點(diǎn)點(diǎn)普通電磁相互作用。因此，它應(yīng)該偶爾會(huì)與普通物質(zhì)中的質(zhì)子和電子發(fā)生相互作用。但是，當(dāng)科學(xué)家計(jì)算出這種相互作用的強(qiáng)度時(shí)，問題變得更加嚴(yán)重：它不可能是暗光子。如果是的話，應(yīng)該會(huì)在其他實(shí)驗(yàn)和粒子加速器中看到成百上千的其他效應(yīng)。

靈敏度極高的大型底下氙（LUX）實(shí)驗(yàn)?zāi)壳斑€沒有探測(cè)到任何弱相互作用大質(zhì)

如果不是暗光子，那又會(huì)是什么呢？科學(xué)家搜尋了暗物質(zhì)粒子可能與普通物質(zhì)相互作用進(jìn)而導(dǎo)致鈹衰變異常的其他途徑。他們發(fā)現(xiàn)，為了與在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的已知自然力性質(zhì)相符，該粒子不能與質(zhì)子和電子發(fā)生相互作用，但可以與鈹原子核內(nèi)的中子相互作用。這超出了已知物理學(xué)的范疇，或許可以解釋為什么它躲過了此前的暗物質(zhì)搜尋。這一闖入者被稱為“疏質(zhì)子X 玻色子”。

并非所有人都相信在可見的物質(zhì)宇宙之外還存在一個(gè)影子世界。有物理學(xué)家就這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和由此推測(cè)一個(gè)新粒子的存在表示了雙重懷疑。

不過，至少這個(gè)理論是可以用實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行檢驗(yàn)的。目前有幾個(gè)實(shí)驗(yàn)可以明確地檢驗(yàn)疏質(zhì)子X玻色子是否真的存在。好消息是，物理學(xué)家現(xiàn)在有了一個(gè)具體的目標(biāo)，而實(shí)驗(yàn)則可以確切地來對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。

事實(shí)上，證實(shí)或證否匈牙利團(tuán)隊(duì)的原始結(jié)果并且尋找更多疏質(zhì)子X玻色子案例的競(jìng)賽已經(jīng)開始。在美國托馬斯·杰斐遜國家加速器裝置上開展的暗光實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在疏質(zhì)子X玻色子可能的質(zhì)量范圍內(nèi)開始搜尋。位于瑞士日內(nèi)瓦附近的歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上的LHCb實(shí)驗(yàn)也在夸克及其反粒子的衰變中搜尋它的蹤跡。

由于匈牙利團(tuán)隊(duì)此前報(bào)告的異常在其進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中似乎消失了，因此一些科學(xué)家對(duì)此持保留意見。當(dāng)然，也有人不為所動(dòng)。畢竟，還沒有人能確定這一實(shí)驗(yàn)存在弱點(diǎn)，也沒有人指出具體的問題出在什么地方。

無論有何疑慮，考慮到目前暗物質(zhì)搜尋毫無頭緒的現(xiàn)狀，對(duì)疏質(zhì)子X玻色子的搜尋還是值得的?？茖W(xué)家知道有暗物質(zhì)存在，而它無法用標(biāo)準(zhǔn)模型來解釋。對(duì)此必須要有一個(gè)解釋，標(biāo)準(zhǔn)模型也許或早或晚將會(huì)被突破，因此實(shí)驗(yàn)中的每個(gè)異常都值得關(guān)注。

當(dāng)然，并非所有人都這么認(rèn)為。有天體物理學(xué)家表示，雖然所有的這些想法都很有趣，但目前還沒有充分的理由來拋棄最簡(jiǎn)單的暗物質(zhì)圖像。一個(gè)更復(fù)雜的暗域面臨的問題是，很難預(yù)言在實(shí)驗(yàn)中會(huì)觀測(cè)到什么現(xiàn)象，因而對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)的難度恐怕要遠(yuǎn)超探測(cè)到難以捉摸的弱相互作用大質(zhì)量粒子。

但話又說回來，一個(gè)理論很復(fù)雜并不能成為判定它不正確的依據(jù)。在這方面，大自然從來沒有讓物理學(xué)家和天文學(xué)家輕松過。