阴影中的宇宙

by Shea on 六月 30, 2009

Anil Ananthaswamy 文 Shea 编译

2007年12月26日,南极麦克默多科考站。长时气球小组的成员们在冰点以下的气温中彻夜未眠,等待外面的大风平息下来。最终,充有100万立方米氦气的巨大气球终于升空,并且把高新稀薄电离热量计(ATIC)送入了大气平流层。


[图片说明]:即将升空的高新稀薄电离热量计(ATIC)。版权:ATIC。



在之后19天的时间里,ATIC一直游荡于南极的上空,研究着来自太空的宇宙线。将近1年之后,ATIC小组公布了他们的惊人结果。他们发现,实验所探测到的高能电子比预想的要多。这听起来似乎没什么大不了的,但是它却是不同寻常的。因为这也许就是占了宇宙物质85%的不可见暗物质泄露出的蛛丝马迹。

事情还没有完。几个月前,一个由意大利科学领导的合作小组报告说,他们在人造卫星上所进行的反物质探测和轻核天体物理载荷(PAMELA)实验也探测到了超出预期的电子,此外探测到的正电子数量也超标。结合早先来自γ射线卫星和地球上暗物质搜寻实验的结果,我们突然一下子有了不少关于暗物质的新线索。“暗物质物理学已经进入了一个非常惊动人心的时刻,”美国费米国家实验室的物理学家丹·胡珀(Dan Hooper)说。

这些证据显示暗物质可能比我们所能想象的还要复杂得多。最新的实验结果预示了暗物质所存在着新的、奇特的类型,这将使得原先科学家所钟爱的暗物质候选体开始失宠。如果真是如此的话,那么我们其实就生活在这些看不见的宇宙成分之中。

这些看不见的成分可能听起来会很奇怪,但是它们会自然而然地出现在诸如弦理论这样的复杂理论中,而这些复杂的理论旨在统一宇宙中主宰着最小和最大尺度的物理学。这些看不见的物质也许就在我们周围。理论上,这些暗物质可以由多种粒子构成,并且彼此之间具有特殊的相互作用力。然而由于这些粒子和我们所熟悉的普通物质之间的相互作用极其微弱,因此我们意识不到它们的存在。直到最十几年来,物理学们才开始认真对待这些构成了暗物质的粒子。


[图片说明]:反物质探测和轻核天体物理载荷(PAMELA)卫星。版权:PAMELA。

尽管我们对暗物质的了解非常有限,但是我们却知道正是它们的引力束缚住了星系和星系团,否则其中恒星和星系的高速运动必将导致星系和星系团的瓦解。我们还知道这些暗物质粒子必定是大质量的,而且它们和周围的环境几乎不发生相互作用。任何满足这些条件的粒子都被称为“弱相互作用大质量粒子”(WIMP)。

而直接寻找这些WIMP远比说起来的要难得多,因此科学家们通过间接的途径来探测它们。无论在哪儿,当WIMP聚集到相当数量的时候,它们就会发生碰撞湮灭,产生电子、质子、正电子和反质子。由于当宇宙线轰击星际尘埃的时候也会产生相同的粒子,因此用这一方法来搜寻暗物质会就有一定的不确定性。

1998年美国“发现”号航天飞机携带阿尔法磁谱仪(AMS)进行了一次太空之旅。它探测到的正电子数量超过了宇宙线所能产生的最大值。1994年、1995年和2000年搭载在气球上的高能反物质望远镜(HEAT)也得到了相同的结果。“但是它们的误差还比较大,不足以确证这一发现,”美国纽约大学的物理学家尼尔·韦纳(Neal Weiner)说。

现在ATIC和PAMELA都确认了这一发现,这一结果将必将引起重视。天体物理学家们长久以来一直致力于解释这些电子和正电子过剩。如果他们发现其他途径都走不通的话,那么WIMP的湮灭将会是最有希望的解释,这其中每个WIMP的质量都可以达到质子的600-1000倍。

到目前为止,一切都让人激动人心。但是科学家们在尝试区分WIMP上却陷入了困境。从20世纪80年代以来,渺中子(neutralino)一直稳坐WIMP的头把交椅,它是超对称理论所预言的一种粒子。渺中子的质量非常大和普通物质的相互作用也非常微弱。最重要的是它在早期宇宙中的密度正好能给出我们今天所观测到的暗物质。


[图片说明]:版权:Daniel Chang。

然而,ATIC和PAMELA的结果为暗物质的性质套上了一层非常紧的约束,使得极难湮灭的渺中子不可能成为组成暗物质的粒子。按照目前对渺中子的认识,它们所能产生的高能电子比较少而低能电子则比较多。但是ATIC的观测结果正好相反。不仅如此,渺中子湮灭还应该会产生反质子,但是PAMELA并没有发现有关的证据。“看来渺中子在我们获得的数据面前表现不佳,”韦纳说。

由于实验的结果对渺中子不利,因此包括ATIC小组在内的许多科学家开始向其他的暗物质候选粒子倾斜,这其中就包括了卡鲁扎-克莱因粒子。这一理论在20世纪30年代就已经被提出来了,当时的目的是通过引入额外的维度来统一引力和电磁力。

按照有关的理论,电子等已知的粒子可以进入隐藏的非常小的额外维度,在那里它们可以以不同的速度运动。粒子在额外维中所具有的能量则表现为它在我们这个世界中的质量。因此一个在更高维度中运动的电子在我们看来就是一个质量较大的卡鲁扎-克莱因电子,不过要想直接探测到它也是不可能的。这些大质量的粒子寿命非常短,会衰变成类似渺中子的小质量粒子。这些小质量粒子很稳定,并且具有暗物质的所有特性。

而最轻的卡鲁扎-克莱因粒子还具有另一个诱人的特性。当这些WIMP碰撞湮灭的时候,它们的质能会转化成电性相反的粒子,例如电子和正电子以及μ介子和反μ介子等,它们的能量正好和ATIC以及PAMELA的结果吻合。此外,卡鲁扎-克莱因粒子所产生的反质子数量也要比渺中子湮灭少得多,这又再一次和最近的实验结果一致。“我喜欢卡鲁扎-克莱因粒子的一点是它并不是为了解释暗物质而发明出来的,”胡珀说。

如果科学家们能证实卡鲁扎-克莱因粒子的存在,他们就能证明除了我们熟悉的空间之外还存在着额外的维度。

而发生在暗物质身上一个又一个的意外也许正在向我们说明宇宙甚至比我们想象的还要奇特。与此同时,科学家们也正在重新审视发现的其他异常现象,这其中就包括了2002年欧洲空间局(ESA)发射的国际γ射线天体物理实验室(INTEGRAL)的观测。

INTEGRAL在银河系中探测到了非常精确的511千电子伏(keV)的明亮光子辐射。你或许会认为这些光子是电子和正电子湮灭所产生的。“但问题是那儿究竟有多少正电子,以及这些正电子来自何方?”韦纳说,“从它们的分布来看不像来自诸如超新星和微类星体这样的天体物理源。”


[图片说明]:国际γ射线天体物理实验室(INTEGRAL)。版权:ESA。

那么它们也是来自暗物质的辐射吗?2007年韦纳和美国哈佛大学的道格·芬克柏那(Doug Finkbeiner)研究了INTEGRAL的结果。他们计算发现,如果WIMP碰撞的时候可以进入激发态的话,那么当它们重新回到基态的时候就会释放出能量511keV的光子。

但是为了让这一方案奏效,韦纳和芬克柏那不得不假设WIMP之间要通过一种新的力来相互作用。所有的力都是通过交换载力粒子来传播的。同样地,韦纳和芬克柏那计算发现,他们引入的新的力也需要一种假想的粒子,它的质量和质子相当并且只在WIMP之间交换。这就意味着,标准模型中的粒子感受不到这种力。因此,暗物质看起来好像一直隐藏在宇宙的阴影之中。

美国罗格斯大学的马修·斯特拉斯勒(Matthew Strassler)和费米实验室的凯瑟琳·祖瑞克(Kathryn Zurek)也研究了宇宙隐藏的成分。“当我们谈论隐藏成分的时候,我们觉得它们和看得见的物质一样复杂。但是由于它们和电子、核子以及普通物质的作用极其微弱,因此‘消失’在了我们的视野中,”祖瑞克说。

有很多线索暗示了这些隐藏的成分可能就是暗物质的源头。2008年10月来自美国普林斯顿大学高等研究所的尼玛·阿卡尼-哈麦德(Nima Arkani-Hamed)和哈佛大学的特蕾西·斯拉泰尔(Tracy Slatyer)也加入了韦纳和芬克柏那的行列。

当韦纳和芬克柏那第一次提出用“暗力”来解释INTEGRAL观测到的异常结果时,他们的想法遭到了礼貌的质疑。之后,ATIC和PAMELA也发现了相同的结果。为了解释所有的观测结果,这一小组重新审视了他们的理论。让他们惊讶的是,他们发现他们引入的新的力不仅能派上用场,而且还能把WIMP聚拢到一起增加它们碰撞和湮灭的概率。

计算结果显示,新的暗力可以把缓慢运动的WIMP的湮灭率提高2-3个量级,由此可以来解释ATIC和PAMELA的观测结果。然而,这种力对于早期宇宙中充斥着的高速运动粒子却没有效果。这就意味着,现在依然存在着大量的WIMP,我们应该可以看到它们的湮灭。

阿卡尼-哈麦德及其同事的计算也显示,当WIMP湮灭的时候会产生暗力的载体。由于这些新的粒子质量和质子相当,因此它们质量太小而无法衰变成质子和反质子,但是却可以产生电子和正电子。


[图片说明]:版权:Daniel Chang。

韦纳说,他的研究小组非常欣喜,因为同一个东西既能提高湮灭的数量又能在不产生反质子的情况下产生额外的电子和正电子。由此他们的理论一下子就可以对ATIC、PAMELA和INTEGRAL的结果进行统一描述。

除此之外,它还同时解决了另一个暗物质之谜。2008年4月,意大利深山中的一个暗物质搜寻实验(DAMA/LIBRA)报告,以11年为周期每年6月份他们探测器探测到的粒子能量要高于12月份的。DAMA/LIBRA小组认为这是地球穿过了一片围绕银河系运动的WIMP海所造成的。

但是其他的暗物质粒子探测实验,例如低温暗物质搜寻实验(CDMS),并没有发现类似的现象。因此,绝大多数的物理学家并不相信DAMA/LIBRA的结果。

那么哪个一结果是正确的呢?韦纳说,都正确。他们的统一理论可以解释DAMA/LIBRA和CDMS结果之间的差异。在传统的观念中,暗物质被想象成类似台球可以弹性碰撞的粒子。CDMS小组采用的就是一假设。但是如果暗物质真像韦纳的小组所说的那样更为复杂的话,那么它们和核子的碰撞就会产生激发态的暗物质。

而这一过程更青睐采用重核材料的探测器。DAMA/LIBRA实验采用的探测材料是碘,这要比CDMS所才用的锗和硅重得多。韦纳说,因此DAMA/LIBRA更有可能探测到暗物质。

这一工作让胡珀印象很深刻,不过他还是有点怀疑。“他们的模型最吸引人的地方是可以一石多鸟地解决很多问题,”他说,“但是这是一块设计得非常精巧的石头。”

韦纳则更为乐观。“物理学家总是试图用一个简单的理论来解释多个现象,”他说,“当然这并不能保证这个理论就是正确的,但是有一些理论正在往这个方向努力,而我们这个理论目前表现不错。”

在这个理论一经发表就备受注目的同时,它也遇到了一些问题。如果这个理论是正确的,那么银河系中心的高密度暗物质就会发生许多的湮灭事件,进而产生许多电子和正电子。而这些带电粒子又会沿着磁场运动,产生额外的同步辐射。“但是我们并没有看到这些辐射”,在仔细地研究了对银河系中心的射电观测资料之后瑞典斯德哥尔摩大学的物理学家拉尔斯·贝尔格斯特霍姆(Lars Bergström)说。那么这到底又是怎么回事呢?

其他的实验或者观测也许能帮助回答这个问题。2008年发射的美国宇航局(NASA)费米γ射线空间望远镜可以用来在很大的能量范围内精确测量电子的数量。如果WIMP的质量真的可以达到质子的600倍的话,那么在某个确定的能量阈值之上应该会出现电子数量的突然减小。纳米比亚用于探测高能电子轰击大气所产生质子的高能立体系统(HESS)探测器也应该能探测到这一现象。如果探测结果确实如此,那么这将是一个极为重要的信号,因为它不可能来自其他的天体物理过程。


[图片说明]:费米γ射线空间望远镜。版权:NASA。

费米γ射线空间望远镜还将能探测到WIMP湮灭所产生的γ射线,而γ射线的能量则可以用来区分卡鲁扎-克莱因粒子和渺中子。费米γ射线空间望远镜甚至还可以确定出这些γ射线来自天空中的哪个地方。如果它在近距离内探测到了聚集的暗物质,那么渺中子将会重新获得青睐,因为反对它的理论都假设了暗物质是均匀分布在银河系晕中的。

也许在地球上也能找到有关的证据。欧洲核子中心的实验物理学家波林·盖格诺(Pauline Gagnon)正在和韦纳商量来验证他们的统一理论。初步的计算显示,大型强子对撞机可以产生新的暗力的载力粒子,而这一粒子最终又会衰变成电子和正电子。盖格诺正在和他的同事们一起努力在将来的实验中寻找有关的信号。

现在所有的希望都寄托在了费米γ射线空间望远镜所能找到的有关暗物质特性的间接线索上。胡珀说:“如果之后在大型强子对撞机中也发现了具有相同质量和特性的粒子,那么我相信所有的怀疑者都会让步。这才是我们所看到的真实宇宙。”

[New Scientist 2009年03月07日]

(本文已刊载于《世界科学》2009年第6期)

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