对暗物质的新探索

苗千

在国际空间站上工作的阿尔法磁谱仪-02（AMS-02）

在地球轨道上，国际空间站上装载了不止一个用于暗物质探测的设备，而在地下，欧洲核子中心（CERN）休眠了两年多的大型重子对撞机（LHC）刚刚重新开启，也有很多物理学家把解开暗物质谜团的希望寄托在这台机器上。

阿尔法磁谱仪-02（AMS-02）已经在国际空间站上工作了将近4年的时间，它在外部装备了几层极为灵敏的粒子探测器，主要用于测量撞击到上面的宇宙射线粒子的类型、能量、动量和电量，它进行探测的目标之一就是从探测到的宇宙射线的性质中发现暗物质存在的痕迹。几年来阿尔法磁谱仪向地面发回了大量的探测数据，一个由诺贝尔奖得主丁肇中领导的团队则一直对数据进行分析。最近，这个团队分析了它所探测到的质子与反质子的数据，与此前阿尔法磁谱仪发回地球的电子与正电子的数据一样，这些数据并不符合目前理论物理学家们建立的任何模型——这未必是坏事，虽然还没有发现暗物质粒子存在的切实证据，但是也许这说明人们正处于做出某些重要发现的边缘。

根据宇宙标准模型的预测，阿尔法磁谱仪所探测到的质子与反质子的数量在不同的能量范围内应该有不同的比率，但是目前的探测结果显示，在很大的能量范围之内，质子与反质子数量的比率都相当稳定，这个结果与去年收到的它对于电子和正电子的探测类似。物理学家们还可以解释说是脉冲星制造并且喷射出了大量的正电子，但是对于质量远远高于电子的质子来说，这个解释就说不通了。有一种暗物质粒子的模型认为，暗物质粒子是其自身的反粒子，因此当两个暗物质粒子相撞，就可能产生出能量相同的质子与反质子、电子与正电子。这个模型是否能够解释目前阿尔法磁谱仪获得的数据，或者说是否可以断定阿尔法磁谱仪已经发现了暗物质粒子存在的证据，现在下断言还为时尚早。麻省理工学院的资深研究员迈克·卡佩尔（Mike Capell）说：“这是一个全新的谜题，就好像你用一个全新的、更好的显微镜来观察这个世界——只要你看得足够仔细，就肯定能发现一些你之前没有预料到的东西。”

阿尔法磁谱仪并不是国际空间站上唯一一个进行暗物质探测的仪器，日本的实验舱“Kibo”，自从2008年起就在国际空间站上工作。目前一组来自日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）和早稻田大学的科学家计划今年在它上面增加一些新的研究仪器，主要用于探测高能宇宙射线，同样是为了寻找暗物质存在的痕迹。

不仅是在地球轨道上进行探测，还有一些物理学家在银河系的中心得到启发，转而把希望寄托在地下，希望大型重子对撞机能够找出暗物质粒子存在的证据。此前物理学家们通过费米伽马射线太空望远镜发现了在银河系的中心，有一处极高能量的伽马射线源，费米加速器实验室的研究员丹·胡珀（Dan Hooper）认为，这些高能量的伽马射线很有可能是由在银河系中心的暗物质粒子相撞，产生出质子和反质子对以及电子和正电子对，随后这些粒子又发生了湮灭而产生出的，但是想要为这种设想找到证据支持并不容易。

2009年，丹·胡珀与一位当时纽约大学的研究生首先在费米伽马射线太空望远镜的观测数据中发现了银河系中心的伽马射线闪光，他们认为这可能就是暗物质存在的证据。但是这个想法与物理学家们所热衷的超对称理论并不相符。更多的实验结果显示，暗物质粒子应该拥有更大的质量。如果银河系中心的伽马射线来自于暗物质，就需要对超对称模型进行很大的修改，因此更多的物理学家认为，在银河系中心的高能伽马射线更有可能是来自于中子星的喷发，或是一些死亡恒星的残骸。

但是在2014年末一些新的计算显示，银河系中心的伽马射线可能是由一些质量更高的暗物质粒子碰撞产生，这个数值处于超对称理论所容纳的范围之内。不仅如此，荷兰内梅亨大学的粒子物理学家萨沙·卡隆（Sascha Caron）还在超对称理论中为银河系中心的暗物质粒子找到了一个候选者：超中微子（neutralino），这是一种目前仅存于理论中的粒子，但是从计算的结果来看，有可能正是作为暗物质粒子的超中微子在银河系中心发生湮灭，产生出了高能量伽马射线。不仅如此，卡隆还利用这个模型计算出在宇宙大爆炸的过程中可能产生出多少暗物质，得出的数值与目前人们对宇宙微波背景辐射的观测相符，卡隆认为这并不是一个巧合，而可能预示着某种振奋人心的发现。

费米加速器实验室研究员丹·胡珀

无论人们对于发现暗物质的真实身份寄予多么美好的愿望，目前的理论有多么完美，仍然需要实验的验证，必须能够找到超中微子存在的证据才行。幸运的是，经过了两年多的休眠和升级之后，位于瑞士日内瓦地下的大型重子对撞机正在逐渐启动，计划将在2015年进行更大能量的粒子对撞实验，而超中微子在理论上正是处于大型重子对撞机的对撞能量范围之内。无数理论物理学家正在翘首以待，希望能够在未来大型重子对撞机的对撞数据中发现超中微子的痕迹，这不仅有可能解开困扰了人类几十年的暗物质身份之谜，更有可能验证无数理论物理学家投入了一生精力探索的超对称理论。

暗物质与人类有什么关系？人们虽然看不到、摸不到暗物质，但是美国路易克拉克大学的物理学教授伊桑·西格尔（Ethan Siegel）认为，它可能与生命的起源息息相关。虽然在太阳系中，太阳的质量占到了太阳系总质量的99.8%，但是在整个银河系中，暗物质的引力作用仍然起到主导作用。正是由于暗物质的引力作用，才使得在超新星中喷发出的重元素能够留在银河系内，而不是逃离银河系，成为星际物质。正是这些重元素，使太阳系内可以形成由岩石组成的行星，并且在地球上出现以碳元素为基础的生命现象。如果没有暗物质的引力作用，宇宙中仍然会有恒星和星系，但是在太阳系中就只能存在气体形成的巨型行星，不会有液态水的存在，更不会出现生命现象了。

（本文写作参考了《自然》杂志的报道）