制造暗物质

■ 陈壮叔

看到这个标题，你不要以为这是科幻，而是实实在在发生的事情：意大利的一些科学家感到，既然捕捉暗物质那么困难，倒不如在实验室来制造它。

21世纪初，美国航空航天局用分辨率更高的威尔金森微波各向异性探测器，对宇宙微波背景辐射再一次做了更精确的探测。所谓微波背景辐射，是来自宇宙空间背景上的各向同性的微波辐射，产生于宇宙创生大爆后约30万年的时刻，当时的宇宙空间皆游漫着微波之雾，空间还不透明。此后，随着宇宙的膨胀而冷却，物质跟电磁辐射才告分离，空间才呈透明。

现在人们去探测它又为了什么呢？这是因为在这微波背景上，反映出当时宇宙的物质和能量的分布状态。最近的这一探测结果，使许多人大吃一惊，原来我们宇宙组成的大部分都是我们很陌生的东西，其中暗能量占70%、暗物质占25%，而我们熟悉的普通物质仅占5%。

暗能量是什么东西？即使对科学家来说，也只是在20世纪90年代晚期才面临的新事物，而对宇宙性暗物质的研究，远在30余年前已开始了。当时的说法很多，最炙人口的候选者是某种类型的中微子，以后物理学家又提出了轴子。它们的质量都很轻，皆为亚原子粒子，科学家花了很长时间的努力企图捕捉它们，但皆以失败而告终。

在此情况下，意大利的一些科学家另辟蹊径。他们说：“我们去实验室里制造，不是更好吗？以乔瓦尼·坎塔托里为首的研究小组（意大利国家核物理研究所）就这样做了。”

据说实验已告成功，可是坎塔托里却高兴不起来，从表面来看，他应该欢庆才对呀!他的小组已成功地生产出暗物质，以前，还没有人打算看到如此大量的暗物质粒子，捕捉到它已是一个不小的突破，更何况在实验室内制造出来呢。

坎塔托里小组创制的粒子就是上面提到的轴子，但它的观测特性却跟理论不一。若按此特性，那么早在几十亿年之前，太阳的能量就该被它们吸干了，明显这不符合事实。

按目前的标准理论，在大爆炸早期，当光子相互碰撞的时刻，可能产生了轴子。理论家最初提出轴子，是为了弥补强力（把原子内的核子粘在一起）理论的某些裂缝。后来，他们又发现轴子可能填补宇宙学中的一个大洞：它是最轻的粒子之一，且数量巨大，因此，它就成了解释宇宙中缺失质量之谜的最佳候选者之一。

坎塔托里的实验室在意大利策斯梯附近，可以毫不夸张地说，这是世界上第一个暗物质工厂。

在这个轴子制造实验上，坎塔托里的同事伊米利奥·扎瓦蒂尼是设计师，整个实验思想是他提出的。几十年前，他就谈到制造轴子的事宜。他说，若轴子是光子相互作用的产物，那么可用激光通过磁场的方法来试制。他认为，将一束激光射入一个磁场中，如果光子真的能相互作用而产生轴子，那么，少数极性与磁场平行的激光光子就有一个转化成为轴子的机会。轴子一旦产生便会逃逸，但是那些转化造成的光子损耗会使整个激光束的极性发生偏转。而他们要找的，正是这个极化偏转。

那么坎塔托里为何不安呢？问题在于这个偏转量太大了。这意味着，实验产生了很多的轴子，比理论预言的大得多。因此，科学家认为，坎塔托里小组产生的可能是一种变种轴子，其特性跟理论相去甚远。

首先，这种新粒子的特性并不能解决有关强力的问题。物理学家设想出轴子，原先就是为了解决一个量子色动力学方面的难题的。这个理论很重要，它可以描述夸克（质子和中子的组成物）和胶子的行为，正是胶子把质子和中子拉在一起。若没有轴子，其所涉及的胶子的反应将有差异，而这一点又取决于时间的走向（即走向未来或过去）。可是在实验中，从未见过时间有二种走向，这种变种轴子根本说明不了这些问题。

所有的观测都表明，这种变种轴子不应该不存在。若轴子在实验室中如此容易地产生，那么它不应该仅在大爆炸后不久才能形成，而应该在太阳核心的光子碰撞中大量生成。随着轴子的直接飞出，进入深空，用不了几千年，太阳的核能将被完全吸干。当然，对其他的星球也是如此。这样，坎塔托里的变种轴子将使得宇宙变成一个暗黑的无生命的世界。

不过，坎塔托里并不认为自己的实验有误。他说：“现在我们只是报告说观测到一个异样的情况。你要记住，这可能是观测器产生的效应。”实际上，他是在说，在观测到的偏转中有一个令人困惑的变化量，而他的小组难以解释。但事实上，无论研究者如何去做（实验），这个偏转量较大的效应总是无法改变。

物理学家罗圣伯格（华盛顿大学）也在检测轴子，他认为上述实验可能隐含着什么。“虽然挥舞你的双手来欢呼还为时尚早，但无视这个结果是愚蠢的。”

若这确是轴子，那么真的是一个怪物，无法放入粒子物理标准模型的框架之内。惠兹克（麻省理工学院的物理学家）参与撰写首先预言轴子的文章，并因此搞清了量子色动力学中的一些问题。在他看来，坎塔托里的实验结果“是一个显著的大发现”。

有些人一直在强调和坎塔托里实验跟其他证据之间的矛盾。一种看法来自西班牙巴塞罗那大学的曼苏和策唐杜。他们认为，坎塔托里等测得的粒子，是一种尚未知悉的、由二个类夸克松散构成的粒子。这种易碎的组成易于在坎塔托里实验室的冷环境中形成，而不是在恒星核心或超新星的汹涌的“锅炉”之中形成。因此，它们不会吸走星球的能量。曼苏提出的复合粒子，几乎是迄今研究者都想做出的解释。虽然他的这个概念还相当混乱，这种粒子不仅需要新的组成粒子，还需要一种新的力，以把二者粘合。

即使这样，该假设可能还是不行。据科茨拜（伯林斯顿高级研究所） 的看法，在太阳内部可能是一种构成轴子的全新粒子的热。当你从中心向外运动，将感到温度逐步下降，这些粒子将合成轴子。据他的计算，太阳的大量能量被轴子偷跑，这个数量大于被光子带走的，而太阳还得忍受下去。科茨拜提出一种易于构成且不危及恒星安定的轴子，并借此设计理论模型以弥补上述问题，但他的全部尝试皆告失败。他说：“要想获得一个能工作的模型，确非易事。”

也许物理学家必须接受，大自然就是乖戾的，但也可能正好不是，坎塔托里小组的测量可能完全是一个错误。曼利约诺斯就认为，坎塔托里的实验结果只是一个幻景，实验中存在某些缺陷。他说：“在我看来，这是极端错误的。”

那么曼利约诺斯的这种看法有何根据呢？他于20世纪80年代，在布鲁克海文国家实验室曾跟坎塔托里做过类似实验，当时并未看到轴子信号，除非拥有比现在坎塔托里使用的更灵敏的仪器。因为当时布鲁克海文的仪器只适于寻找小于0.8毫电子伏的轴子，而目前坎塔托里实验能检测到1毫电子伏的轴子，测得的轴子质量刚好是它的上限，超出了布鲁克海文的测量范围。

要想解决这一矛盾，并证实变种轴子真的飞越在宇宙空间之中，最好的方法是做一种新的实验，即光子再生实验。它的简单设计思想如下：把激光器（类似于坎塔托里实验那种）、磁铁、墙体和第二块磁铁置于一条直线上，然后发射激光束，它穿过第一个磁场后即被墙体所阻，无法飞向墙后的第二块磁铁；但有些激光光子转变成轴子，而后者将毫无阻拦地穿过墙体，奔向第二块磁铁。

策拜盾说：“若上述坎塔托里的实验结果是正确的话，那么每秒将有几亿颗类轴子粒子穿墙而去。”当它们再穿越第二个磁场时，其中的少数类轴子又会转变成光子，并且具有同原先激光一样的频率。策拜盾说：“这将是这种粒子存在的不可辩驳的信号。”

现在，坎塔托里就在计划进行光子再生实验。而在2007年早期，就在德国汉堡的德国电子同步加速器实验室里进行过一项独立的测试；还有一些研究单位，诸如欧洲核子研究所以及几家大学，也在计划进行这一实验。无论哪家实验室，只要找到这种不可见光穿越墙体，都将成为一条爆炸性新闻。

物理学家将面临一个新的课题，如何来解释这个在理论上不可能存在的粒子却得以出现？变种轴子这一实验结果，将导致我们对大自然看法的根本改变，或者，来采取一种糟糕的态度，固守老的看法？