宇宙射线中包含了惊人数量的反粒子，这是暗物质的杰作吗？

对宇宙射线中反粒子数量的测量，改变了我们对暗物质的观点！

“我们检测到的反粒子数量是无法通过当前宇宙已知的任何过程来解释的！”

粒子湮灭产生反物质形成反氦的想象图（来自欧洲核子研究中心）

宇宙射线就像带电粒子“雨”一样，不断的轰击地球。而近期的一项新研究显示，宇宙射线中富含的反物质可能会揭开宇宙中最神秘的暗物质之谜。

暗物质的神秘之处体现在其对科学家带来的挑战：暗物质在宇宙中占比大约85%，但因为其不与光发生相互作用，导致无法被观测到。也就是说，构成恒星、行星、月球、流星、彗星、人体、书本、咖啡杯、猫咪等物体的原子数量和暗物质比起来，仅仅占据1/5左右。

构成宇宙85%左右成分的暗物质想象图

西班牙马德里理论物理研究机构的佩德罗•德拉托尔•卢克带领研究团队提出了一种新的理论：宇宙射线中所包含的数量异常的反物质（具有相反电荷的质子、电子等构成），可能来自暗物质的湮灭过程。二者之间的具体关系，可能会帮我们澄清关于“暗物质来自弱相互作用大质量粒子”的主流猜测。

佩德罗•德拉托尔•卢克表示：“宇宙中已知的各种反应都无法解释我们所发现的反原子数量，特别是反氦原子（氦原子的反粒子）数量。反粒子在星际介质（恒星之间的气体和尘埃）中并不寻常，因此发现高比例的反粒子，这意味着宇宙中存在一些我们尚未了解的反应过程。”

“尤其是，如果暗物质是粒子构成，那么它不太可能会湮灭，然后产生同样数量的粒子和反粒子。”

这个团队的研究结果对于暗物质的最佳候选者（弱相互作用大质量粒子）给出了不利证据，迫使科学家们重新回到寻找宇宙丢失质量问题的起点，并重新思考。

也就是说：“暗物质来自弱相互作用大质量粒子”这个理论有可能被取代！

关于弱相互作用大质量粒子，虽然它是暗物质的最佳候选者，但时至今日，其依然难以被发现。

佩德罗•德拉托尔•卢克介绍说：“粒子物理标准模型解释了我们已知的各种粒子以及它们之间的相互作用，而弱相互作用大质量粒子是粒子物理标准模型的众多最基本扩充理论中所预言的一群粒子。这些粒子从未被观测到，但是它们是暗物质的绝佳候选者，因为它们是中性的，并且在早期宇宙产生基本粒子的过程中也能够产生。”

弱相互作用大质量粒子产生自标准粒子模型的扩展理论，其难以被观测到。

弱相互作用大质量粒子和我们所知的常规粒子几乎不会发生相互作用，这意味着它们会逃脱我们现有的检测实验。因此如果它们构成了暗物质，这也解释了为什么暗物质探测不到。但是，弱相互作用大质量粒子会受到引力作用，就像暗物质那样。这一点很关键，因为暗物质就是科学家们根据引力影响推测其存在的。因此二者在引力方面的影响是一致的。

子弹星系团，在这里相互作用微弱的暗物质（蓝色区域）穿越了普通物质（红色区域），就像一颗子弹穿过苹果一样。（图片来源：其中X射线观测数据来自美国国家航空航天局/钱德拉X射线天文台/哈佛-史密松天体物理中心/马克维奇,可见光与引力透镜观测数据来自美国国家航空航天局/太空望远镜科学研究所的麦哲伦、亚利桑那、克洛等人，另一部分引力透镜数据来自欧洲南方天文台/广域成像仪）

关于暗物质有一个未解决的问题是：构成暗物质的粒子是否会发生湮灭。这里讲的湮灭是指粒子和反粒子相遇并相互毁灭的过程。例如，当一个电子与它的反粒子 - 正电子相遇时，就会发生湮灭，其包含的能量会重新释放到宇宙中。在一些特殊场景下，人们推测暗物质会通过内部的相互作用产生自湮灭现象。

佩德罗•德拉托尔•卢克介绍说：弱相互作用大质量粒子被认为会发生这种自湮灭，产生同样数量的粒子和反粒子。虽然我们认为星际空间的介质中我们所了解的反应过程仅仅会产生很少量的反粒子，但是如果暗物质充满了宇宙，弱相互作用大质量粒子又是暗物质的最可能构成，那么我们很容易推论出星系中的弱相互作用大质量粒子产生了大量的反粒子。

针对这种猜测，科研团队研究了宇宙射线中的氦和反氦，想找到弱相互作用大质量粒子的湮灭迹象。像正常的氦原子一样，反氦可以包含三或者四个中子，这意味着反氦存在两种同位素：反氦-3，反氦-4。

在国际空间站上的阿尔法磁谱仪02设备最近在宇宙射线中发现了数量相近的反氦-3和反氦-4。宇宙射线在穿越和撞击星际介质的时候是能够产生反粒子的，但是在宇宙射线中检测到的反氦粒子的数量，要远高于科学家根据宇宙射线中粒子自身估算出来能产生的反粒子数量。

搭载阿尔法磁谱仪02设备的国际空间站，正是这个设备从宇宙射线中检测到比预期高得多的反粒子数量（图片来自布里克大街）

弱相互作用大质量粒子作为暗物质候选者，是否能够解释这种反粒子数量的异常高的情况呢？研究团队对此进行了研究。他们得到的结论是：可以解释反氦-3数量的异常，但是无法解释反氦-4的数量异常。

佩德罗•德拉托尔•卢克介绍了他们的研究结果：“我们的预测表明，在乐观的情况下，我们能够在弱相互作用大质量粒子作为暗物质的假设下，解释反氦-3粒子的观测数值，但是我们会得到数量少得多的反氦-4粒子数量。实际上，由于反氦-4要重于反氦-3，计算得到的结果比观测值少了大约1000倍。因此，我们发现弱相互作用大质量粒子作为暗物质的构成，很难解释目前的观测数据，除非我们对暗物质引入更为特殊的模型。”

虽然看上去这是个坏消息，但是要知道，弱相互作用大质量粒子作为满足暗物质几乎一切要求的“神奇粒子”，曾经将很多其它粒子模型排除在外。

而现在这些被排除的候选者又被带了回来，其中包含非粒子解释理论，例如暗物质由亚原子尺寸大小的太初黑洞构成，其诞生于大爆炸阶段。

太初黑洞的艺术想象图，其诞生于宇宙大爆炸阶段。

佩德罗•德拉托尔•卢克表示：如果这些反粒子的产生是因为星系中存在的未知粒子导致的，那么这种未知粒子一定具有较为奇特的湮灭特点。如果我们发现这种粒子可以解释我们对暗物质的所有观测结果，并且在粒子加速器中逃脱掉了当前所有的检测技术，那么这种粒子就是暗物质的极佳候选者，而对反氦的检测是我们唯一研究它的方法。

这个科研团队的研究成果发表在10月4日的宇宙学和天体粒子物理学的期刊上。

BY:Robert Lea

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