新浪科技訊 北京時(shí)間 4 月 18 日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，大量的引力子可能在宇宙大爆炸后的萬(wàn)億分之一秒時(shí)形成，其數(shù)量之多或許足以解釋暗物質(zhì)的存在。
作為一種非常難以捉摸的奇特物質(zhì)，暗物質(zhì)占據(jù)了宇宙的大部分質(zhì)量，它可能是由大爆炸后第一次出現(xiàn)的引力子組成的。引力子是一種基于量子場(chǎng)論架構(gòu)提出的基本粒子，其量子交換能產(chǎn)生引力。一個(gè)新的理論認(rèn)為，這些假想的粒子可能是來(lái)自額外維度的宇宙孑遺。
研究人員的計(jì)算表明，這些粒子的數(shù)量可能正好足以解釋暗物質(zhì)。目前，物理學(xué)家還未真正觀測(cè)到暗物質(zhì)的存在，只能通過(guò)其對(duì)普通物質(zhì)的引力效應(yīng)來(lái)“觀測(cè)”，大量的引力子產(chǎn)生于早期宇宙中普通粒子的碰撞。以往認(rèn)為這一過(guò)程是非常難以發(fā)生的，因此大量的引力子不可能成為暗物質(zhì)的候選。
在發(fā)表于今年 2 月《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）的一項(xiàng)新研究中，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，早期宇宙可能會(huì)產(chǎn)生大量的引力子，足以解釋我們目前在宇宙中探測(cè)到的暗物質(zhì)。
▲ 宇宙是否具有比我們想象的更多維度？
該研究發(fā)現(xiàn)，如果早期宇宙的引力子真的存在，那它們的質(zhì)量將小于 1MeV，不超過(guò)電子質(zhì)量的兩倍。這個(gè)質(zhì)量水平遠(yuǎn)低于希格斯玻色子產(chǎn)生普通物質(zhì)質(zhì)量的尺度 —— 這是該模型產(chǎn)生足夠數(shù)量的希格斯玻色子來(lái)解釋宇宙中所有暗物質(zhì)的關(guān)鍵。（相比之下，根據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所的數(shù)據(jù)，已知的最輕的粒子中微子質(zhì)量不到 2eV，而質(zhì)子的質(zhì)量約為 940 MeV。）
研究團(tuán)隊(duì)在尋找額外維度的證據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)了這些假想的引力子。一些物理學(xué)家懷疑，在我們已觀測(cè)到的三維空間和第四維時(shí)間之外，還存在著其他額外的維度。根據(jù)該團(tuán)隊(duì)的理論，當(dāng)引力通過(guò)額外維度傳播時(shí)，它會(huì)在我們的宇宙中以大量引力子的形式出現(xiàn)。
不過(guò)，這些粒子只能與普通物質(zhì)發(fā)生微弱的相互作用，而且只能通過(guò)引力產(chǎn)生作用。這種描述與目前已知的暗物質(zhì)特性驚人地相似：暗物質(zhì)不與光相互作用，但卻具有宇宙中任何地方都能感受到的引力效應(yīng)。例如，物理學(xué)家認(rèn)為，暗物質(zhì)所產(chǎn)生的引力效應(yīng)是阻止星系分離的原因。
在廣義相對(duì)論中，引力被看作是一種幾何現(xiàn)象，即時(shí)空的曲率。在目前的物理學(xué)中，這個(gè)觀點(diǎn)獲得了極大成功。而量子力學(xué)的觀點(diǎn)認(rèn)為，作用力是由不連續(xù)的能量包（即量子）交換而產(chǎn)生的。不同的量子產(chǎn)生了不同的作用力?；谶@種觀點(diǎn)，量子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為，基本相互作用都是由量子交換產(chǎn)生的，并提出了規(guī)范玻色子的理論，如電磁力由光子交換產(chǎn)生，弱核力由 W 及 Z 玻色子交換產(chǎn)生，強(qiáng)核力由膠子交換產(chǎn)生。這個(gè)理論預(yù)測(cè)，引力也應(yīng)該是由某種玻色子交換產(chǎn)生的，而這種玻色子就被稱為引力子。
▲ 這張宇宙演化的示意圖顯示，最早期的恒星和星系形成于宇宙大爆炸后的最初幾億年間。
對(duì)于大量引力子作為暗物質(zhì)粒子的假說(shuō)，其主要優(yōu)勢(shì)在于，這些粒子僅通過(guò)引力相互作用，因此可以逃避探測(cè)它們存在的嘗試，相比之下，其他暗物質(zhì)候選粒子 —— 如大質(zhì)量弱相互作用粒子（WIMP）、軸子和中微子 —— 也可能通過(guò)它們與其他力和場(chǎng)的非常細(xì)微的相互作用而被探測(cè)到。許多科學(xué)家認(rèn)為，WIMP 是暗物質(zhì)最有希望的候選，但最新的研究稱，暗物質(zhì)的質(zhì)量應(yīng)該小于 WIMP。目前有許多實(shí)驗(yàn)在尋找理論上的 WIMP 粒子，這些實(shí)驗(yàn)必須在地下進(jìn)行，以避免宇宙射線的干擾。
事實(shí)上，大量的引力子幾乎不會(huì)通過(guò)引力與宇宙中的其他粒子和力相互作用，這提供了另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。由于它們之間的相互作用非常微弱，因此衰變得非常緩慢，以至于在整個(gè)宇宙的生命周期中都保持穩(wěn)定，出于同樣的原因，它們?cè)谟钪媾蛎浧陂g緩慢產(chǎn)生，不斷積累，直到今天。
以往物理學(xué)家認(rèn)為，引力子不太可能是暗物質(zhì)的候選，因?yàn)樗鼈兊漠a(chǎn)生過(guò)程極其罕見(jiàn)。因此與其他粒子相比，引力子的產(chǎn)生速度要低得多。但研究小組發(fā)現(xiàn)，在大爆炸后的萬(wàn)億分之一秒內(nèi)，引力子的數(shù)量可能比過(guò)往理論所認(rèn)為的要多得多。研究發(fā)現(xiàn)，這種數(shù)量的增多足以讓引力子完全解釋我們?cè)谟钪嬷刑綔y(cè)到的暗物質(zhì)數(shù)量。
由于大量引力子形成于希格斯玻色子的能量尺度之下，因此它們不受與更高能量尺度相關(guān)的不確定性的影響，而目前的粒子物理學(xué)無(wú)法很好地描述這種不確定性。該團(tuán)隊(duì)的理論將在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）等粒子加速器上研究的物理學(xué)與引力物理學(xué)聯(lián)系起來(lái)。這意味著，像歐洲核子研究中心的未來(lái)環(huán)形對(duì)撞機(jī)（FCC）這樣的超大型粒子加速器可以用來(lái)尋找這些潛在暗物質(zhì)粒子存在的證據(jù)。FCC 的規(guī)模將是目前世界上最強(qiáng)的粒子加速器 LHC 的四倍，撞擊能量上也可達(dá)到 LHC 的六倍。按照計(jì)劃，該加速器將于 2035 年開(kāi)始運(yùn)行。
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