40年前的理论被再次提出：暗物质可能是正常物质

1. 引言

暗物质的本质是现代物理学中最持久、也最重要的未解问题之一。来自星系旋转曲线、宇宙微波背景辐射各向异性以及大尺度结构形成等多方面的引力证据清楚地表明暗物质的存在，但其微观或宏观本性至今仍不明确。过去几十年中，暗物质研究主要集中在超出标准模型的基本粒子候选者上，例如弱相互作用大质量粒子（WIMPs）和轴子。然而，至今为止缺乏决定性的实验发现，促使研究者重新审视一些替代性理论框架。

其中一种重要的替代思路认为，暗物质并非由新的基本粒子构成，而是由在早期宇宙中形成的、具有宏观尺度的强相互作用物体组成。在这类模型中，奇夸克物质（strange quark matter, SQM）作为暗物质候选者，在历史和概念层面上都占据着独特位置。该设想最早在20世纪80年代被系统提出，尤其与 Edward Witten 的工作密切相关。其核心观点是：由上（u）、下（d）和奇（s）夸克构成的去禁闭夸克物质团块（通常称为 strangelets）可能是绝对稳定的，并且在宇宙中数量充足，从而能够解释观测到的暗物质密度。

论文《Strange quark matter as dark matter: 40 yr later, a reappraisal》正是在这一背景下，对奇夸克物质暗物质假说在提出四十年后进行的系统性再评估。作者并未简单重复早期论证，而是结合量子色动力学（QCD）、致密物质物理、宇宙学以及观测约束方面的重大进展，对该假说的可行性进行了现代视角下的重新审视。这项工作既是对历史思想的回顾，也是对奇夸克物质作为暗物质候选者的当代可行性研究。

2. 理论背景：Bodmer–Witten 假说

奇夸克物质假说源于一个关于强相互作用物质基态的根本问题。在传统核物理中，通常认为由质子和中子组成的原子核是在零压条件下最稳定的重子物质形态。然而，在20世纪70年代初，Bodmer 提出，去禁闭的夸克物质在某些条件下可能在能量上更为有利。Witten 随后扩展了这一思想，指出包含三种夸克味（u、d、s）的夸克物质，其每重子能量有可能低于普通核物质。

奇夸克的引入至关重要。增加一个额外的味自由度可以降低体系的费米能，从而在一定程度上抵消奇夸克质量较大的不利影响。如果强相互作用的动力学允许这种状态存在，那么奇夸克物质在零外压下就可能是绝对稳定的，而不仅仅是亚稳态。

一旦这一假设成立，其物理后果将极为深远：普通核物质只是一种亚稳相，而奇夸克物质才是真正的强子物质基态。在这种情况下，小尺度的奇夸克物质团块（strangelets）就可能作为寿命极长甚至永久稳定的物体存在于宇宙中。

3. 奇夸克物质与早期宇宙

评估奇夸克物质作为暗物质的关键问题之一，是其是否能够在早期宇宙中以足够的丰度产生。相关的物理时期是 QCD 相变阶段，即宇宙从夸克–胶子等离子体冷却并转变为以强子为主的物质状态，温度约为 100–200 MeV。

早期研究通常假设 QCD 相变是一级相变。在这种情况下，夸克物质液滴可以被困在强子相中，从而自然形成。随后，这些液滴在冷却过程中可能收缩并稳定为奇夸克物质团块。然而，现代格点 QCD 的结果表明，在零重子化学势附近，QCD 相变更可能是一个连续的交叉（crossover），而非一级相变。这一认识显著削弱了早期关于奇夸克物质形成的论证，也是该假说一度式微的重要原因之一。

该论文的重要贡献在于，它并不依赖强一级相变的假设。作者讨论了在更一般条件下，夸克物质团块如何通过非平衡动力学过程、密度不均匀性以及表面张力效应形成和演化。同时，他们系统分析了蒸发过程如何影响奇夸克物质的最终质量分布。这种更为稳健的处理方式使得 SQM 暗物质情景在现代宇宙学框架下仍具有可行性。

4. 奇夸克团块的稳定性与微观物理

论文再评估的另一个核心问题是奇夸克物质在微观层面的稳定性。近年来，基于 QCD 的有效模型（如改进的袋模型）以及对高密度夸克物质的研究，大幅提升了我们对该问题的理解。

在高密度条件下，夸克物质很可能进入色超导态，即夸克由于强相互作用中的吸引通道形成类似库珀对的配对结构。这种配对会显著降低体系的自由能，从而增强奇夸克物质的稳定性。尤其是颜色–味锁定（CFL）相，由于三种夸克味全部参与配对，被认为是高度稳定的状态。

作者指出，色超导性的引入显著强化了奇夸克物质稳定存在的理论基础，也提高了奇夸克团块在早期宇宙中抵御蒸发和衰变的能力。这一物理机制在40年前尚未被充分理解，是重新评估 SQM 暗物质假说的重要理由之一。

5. 质量谱与宇宙学约束

任何暗物质候选者都必须满足来自天体物理、宇宙学和实验的多重约束。对于像奇夸克团块这样具有宏观尺度的对象，这些约束包括引力透镜、宇宙微波背景、结构形成、地震学信号以及地面实验等方面的限制。

论文系统分析了在这些约束条件下，是否仍然存在可行的奇夸克物质质量分布。其一个重要结论是：质量极大的奇夸克团块（可达约 101710^{17}1017 克甚至更高）在当前观测水平下仍然基本不受排除。在这一点上，奇夸克物质暗物质与原初黑洞等宏观暗物质候选者占据了相似但并不完全相同的参数空间。

关键区别在于，奇夸克团块是由强相互作用物质构成的，可能带有电荷，其与普通物质的相互作用方式与黑洞截然不同。这使得即便在某些质量区间内原初黑洞已被排除，奇夸克物质仍可能存活下来。

6. 探测前景

尽管奇夸克物质难以直接探测，论文仍讨论了若干潜在的观测途径，包括：

• 宇宙线实验：可能探测到异常的大质量、低电荷粒子信号；
• 与致密天体的相互作用：例如奇夸克团块进入中子星或白矮星，可能诱发可观测的物理效应；
• 地面探测器：宏观奇夸克团块穿过物质时，可能留下独特的能量沉积或轨迹信号。

尽管目前尚无确凿证据，这些探测途径为未来检验该假说提供了明确方向。

7. 更广泛的物理意义

除具体结论外，这篇再评估论文还具有重要的概念意义。它强调，暗物质不一定必须是基本粒子，强相互作用物理——传统上属于核物理和强子物理的研究范畴——也可能在宇宙学中发挥直接作用。

奇夸克物质暗物质假说同时也表明，科学思想的发展并非线性。一些因早期理论或观测局限而被边缘化的想法，可能会随着理论工具和实验能力的进步而重新获得生命力。从这一角度看，该论文并非简单的“复兴”，而是一种成熟而审慎的科学反思。