暗物质新探：可能并非重质量粒子，性质待揭秘

“技术员正在扫描LUX-ZEPLIN（LZ）暗物质探测器上的尘埃。图片来源：LZ实验

暗物质可能并不重

根据最新研究，暗物质可能需要‘瘦身’。

到目前为止，我们已经有大量证据表明暗物质的存在。这是因为目前宇宙学观测的结果无法解释现实宇宙的状态，我们所能观测到的所有物质的总和计算得到的引力效应都远远不足以解释我们在星系、星系团和整个宇宙中看到的实际的总引力效应。

暗物质的质量远远超过了宇宙中的常规物质，但我们对于这个神秘粒子依然所知甚少。暗物质可能具有非常大跨度的质量范围，从已知最轻粒子质量的十亿分之一，到远超最重粒子的质量。

目前许多物理学的研究预测了暗物质属于较重的离子，因此对于暗物质的搜索大多也集中在已知较重粒子的质量范围内。然而，这些搜索到目前为止并未取得突破，这让物理学家开始怀疑暗物质可能比预期的要轻得多……也可能要重得多。

但是，根据一篇最近出现在服务器arXiv上的预发表论文，对更重的暗物质的研究面临一些较为困难的问题。

这是因为我们对暗物质的研究依据的是我们预期它有时、或者至少偶尔会与常规物质相互作用。在极早期的宇宙中，暗物质和常规物质之间的相互作用要频繁得多。但随着宇宙的膨胀和冷却，这些相互作用逐渐消失，暗物质似乎被“冻结”了，成为了“遗迹”。

几乎所有的暗物质模型都预测，暗物质通过某种涉及希格斯玻色子的相互作用与常规物质“对话”。希格斯玻色子是负责许多粒子质量的著名粒子，在2012年通过大型强子对撞机（LHC）被发现。

但物理学中的相互作用是双向的。许多粒子通过与希格斯的相互作用获得质量，反过来，希格斯的质量也会受到与其他粒子相互作用的影响。由于这些粒子非常轻，对希格斯玻色子的反作用力并不强，因此我们通常不考虑对希格斯玻色子的反作用。

但是，如果暗物质要重得多，例如质量接近已知最重粒子质量的十倍，那么它的相互作用将导致希格斯玻色子质量膨胀，使其比实际测量结果要重得多。

当然也有一些模型可以绕过以上的机制，例如认为暗物质可能根本不与常规粒子有相互作用，或着暗物质是不是通过希格斯玻色子，而是采用其他异乎寻常的机制与常规例子发生相互作用。但这些模型极为稀少，且无一例外需要大量的微调和额外步骤来解释我们目前所看到的宇宙。

这意味着，无论暗物质是什么，它更可能是一个超轻粒子，而非超重粒子。

相关知识

在宇宙学中，暗物质（英语：Dark Matter）是指不与电磁力产生作用的物质，也就是不会吸收、反射或发出光。人们目前只能透过重力产生的效应得知，而且已经发现宇宙中有大量暗物质的存在。[2]

现代天文学经由引力透镜、宇宙中大尺度结构的形成、微波背景辐射等方法和理论来探测暗物质。而根据ΛCDM模型，由普朗克卫星探测的数据得到：整个宇宙的构成中，常规物质（即重子物质）占4.9%，而暗物质则占26.8%，还有68.3%是暗能量（质能等价）。[3][4][5]暗物质的存在可以解决大爆炸理论中的不自洽性（inconsistency），对结构形成也非常关键。暗物质很有可能是一种（或几种）粒子物理标准模型以外的新粒子所构成。对暗物质（和暗能量）的研究是现代宇宙学和粒子物理的重要课题。

2015年11月，NASA喷射推进实验室的科学家盖瑞·普里兹奥（Gary Prézeau）以ΛCDM模型模拟银河系内暗物质流过地球与木星等行星的情形，发现这会使该暗物质流的密度明显上升（地球：{\displaystyle 10^{7}}{\displaystyle 10^{7}}倍、木星：{\displaystyle 10^{8}}{\displaystyle 10^{8}}倍），并呈现毛发状的向外辐射分布结构。

BY：Paul M. Sutter

FY：Astronomical volunteer team

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