尋找暗光子：維持宇宙的“第五種力”？

　　北京時間 9 月 23 日消息，據(jù)國外媒體報道，物理學家正在尋找一只“看不見的手”，它塑造了我們的宇宙以及其中無數(shù)的星系。具體而言，物理學家正在各種天體的背后尋找所謂的暗光子，這種神秘的物質(zhì)似乎可以傳遞一種以前未知的自然力，科學家認為，正是暗光子調(diào)節(jié)著常規(guī)物質(zhì)和暗物質(zhì)之間的相互作用。

　　那么，這種自然力為何能對我們隱藏如此之久?長期以來，科學家已經(jīng)知道，自然界存在著 4 種已知的力，它們拉扯、擠壓和撕裂著常規(guī)物質(zhì)，形成我們現(xiàn)在看到的一切。這 4 種已知的相互作用構(gòu)成了我們?nèi)粘Ｉ畹幕鼈兎謩e是：將原子核結(jié)合在一起，但距離很短的強核力;神秘而又微弱的弱核力，控制著放射性衰變，并能對被稱為中微子的亞原子粒子產(chǎn)生作用;在我們生活中影響巨大的電磁力;以及微妙的引力，它在 4 種已知力中最弱的，卻又是作用范圍最大的。

　　利用這 4 種基本力，物理學家可以描繪出亞原子和宏觀世界。任何相互作用都離不開這 4 種力。然而，在我們的宇宙中，特別是在最大的尺度上，關(guān)于相互作用的謎團仍然很多。當我們縮小到星系或更小的尺度時，一些難以解釋的事情發(fā)生了，科學家將這種難以解釋的現(xiàn)象命名為暗物質(zhì)。

　　暗物質(zhì)是簡單純粹的呢，還是隱藏著某種未知的力量?現(xiàn)在，一個由國際物理學家團隊試圖解答這一問題，他們的研究結(jié)果發(fā)表在近期的預印本網(wǎng)站 arXiv 上。研究人員使用大型強子對撞機(LHC)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲來尋找這種可能的基本作用力。目前，搜索結(jié)果仍然一無所獲。這在某種程度上其實是好事，因為這意味著我們已知的物理定律仍然成立。只不過，我們?nèi)匀粺o法解釋暗物質(zhì)。

　　迷失在黑暗中

　　暗物質(zhì)是一種假想的物質(zhì)形式，據(jù)估計占宇宙總質(zhì)量的 80% 左右。我們不知道是什么這些額外的無形物質(zhì)是怎么產(chǎn)生的，但我們知道其存在，最大的線索來自引力。通過研究星系內(nèi)恒星的運動和星團內(nèi)星系的運動，以及宇宙中大尺度結(jié)構(gòu)的演化，天文學家?guī)缀跻恢碌贸隽诉@樣的結(jié)論：宇宙中存在著比可見物質(zhì)更多的東西。

　　暗物質(zhì)或許更應該被稱為“隱形物質(zhì)”，因為暗物質(zhì)根本不與光相互作用，我們只能通過引力效應來推斷其存在。如果暗物質(zhì)能與光相互作用，或者說，如果暗物質(zhì)與光的相互作用方式與常規(guī)物質(zhì)相同的話，我們現(xiàn)在應該已經(jīng)看到了這種神秘的物質(zhì)。但就目前所知，暗物質(zhì)既不吸收光，也不反射、折射、散射或發(fā)射光。對于暗物質(zhì)，光只是不受歡迎的角色;它甚至可能不存在。

　　因此，現(xiàn)在很有可能有大量的暗物質(zhì)粒子正在穿過你的身體。這些粒子流無窮無盡，其組合起來的質(zhì)量可以通過引力的影響塑造星系的命運，但另一方面，它甚至不會與常規(guī)物質(zhì)發(fā)生任何作用。

　　光的引入

　　由于我們不知道暗物質(zhì)由什么構(gòu)成，因此可以自由地想象各種各樣的場景。在最簡單的描繪中，暗物質(zhì)無比龐大，是宇宙的基本組成。是的，暗物質(zhì)構(gòu)成了宇宙質(zhì)量的絕大部分，但它只由數(shù)量無比豐富的單一粒子組成，除了擁有質(zhì)量之外沒有其他意義。這意味著，暗物質(zhì)可以通過引力效應為人所知，但除此之外，它不會通過任何其他力與常規(guī)物質(zhì)相互作用。因此，我們永遠也看不到暗物質(zhì)在做別的事情。

　　想象的場景更有趣。當理論物理學家感到無聊的時候，他們就會為暗物質(zhì)可能是什么，以及更重要的是，我們?nèi)绾尾拍芴綔y到暗物質(zhì)，做出一些猜想。一個有趣的暗物質(zhì)理論認為，暗物質(zhì)偶爾可以通過弱核力與常規(guī)物質(zhì)相互作用。這個想法激發(fā)了當今世界各地的暗物質(zhì)實驗和探測器。

　　但是，這個理論仍然假設自然界中仍然只有 4 種基本作用力。如果暗物質(zhì)是一種前所未見的粒子，那么我們完全有理由認為，它很可能具有一種(或者更多)以前未知的自然力，誰知道呢?這種潛在的力可能會讓暗物質(zhì)只與暗物質(zhì)相互作用，也可能會讓暗物質(zhì)與暗能量糾纏在一起，還可能在宇宙的常規(guī)物質(zhì)和隱形部分之間開辟一條新的“溝通”渠道。

　　暗光子的“崛起”

　　還有一個理論提出，光與暗物質(zhì)(以及暗能量)之間的交流是通過所謂的“暗光子”，類似于我們熟悉的電磁力光子。我們不能直接看到或聞到暗光子，但它們可能會與我們所見的世界融合。根據(jù)該理論，暗物質(zhì)會發(fā)射出暗光子，這是一種質(zhì)量相對較大的粒子。這意味著，它們只在短時間內(nèi)產(chǎn)生影響，與普通的光子大不相同。然而，有時一個暗光子可以與一個普通光子相互作用，改變后者的能量和軌道。

　　這是非常罕見的事件，否則，我們早就會注意到由此產(chǎn)生的電磁學現(xiàn)象了。因此，即使有暗光子，我們也不能直接看到暗物質(zhì)，但我們可以通過檢測電磁相互作用來嗅出暗光子的存在。一個暗光子可以通過與普通光子的相互作用來“竊取”能量。

　　但正如前文所說的，這需要大量的相互作用。人類已經(jīng)建造了一些大規(guī)模的科學儀器，或許可以用于對這些相互作用的探索。在 arXiv 的論文中，物理學家還對歐洲核子研究中心(CERN)的第二大粒子加速器——超級質(zhì)子同步加速器(Super Proton Synchrotron，簡稱 SPS) ——3 年實驗的數(shù)據(jù)進行了分析。在實驗中，科學家對質(zhì)子進行了撞擊，然后觀察所產(chǎn)生的所有新粒子。

　　在撞擊產(chǎn)生的“殘骸”中，研究人員發(fā)現(xiàn)了很多電子。在三年的時間里，科學家計算出有超過 200 億個電子的能量在 100Gev 以上。因為電子是帶電粒子，并且傾向于彼此發(fā)生相互作用，所以實驗中的高能電子也產(chǎn)生了大量的光子。如果暗光子存在，而且它們有時會與普通光子相互作用，并從中竊取能量的話，就會在實驗中表現(xiàn)為缺乏光的缺失。

　　最終，數(shù)據(jù)分析并沒有尋找到暗光子存在的證據(jù)，所有的普通光子都存在并被計算在內(nèi)。不過，這并不能完全排除暗光子的存在。如果暗光子確實存在，那么它們的能量應該很低(根據(jù)實驗結(jié)果，它們的能量很可能小于 1GeV)，而且極少與普通光子發(fā)生相互作用。無論如何，對暗光子的研究依然會繼續(xù)。
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