當我們觀察宇宙時——即使使用最強大的望遠鏡——我們也只能看到一個問題的一小部分我們知道一定在那裡。事實上,對於宇宙中每克原子來說,至少有隱形材料多五倍稱為''。迄今為止,儘管科學家花了數十年的時間進行尋找,但仍未能發現它。
我們之所以知道它存在,是因為星系團的引力和我們觀察到的其他現象。我們在星團中看到的物質不足以僅透過重力將其結合在一起,這意味著必須存在一些額外的不可見或模糊的物質。但我們不知道它是什麼——它可能由新的、尚未發現的粒子組成。
有暗物質粒子可以與之相互作用。有的是強大的力量將原子核結合在一起;這弱力它控制著放射性等粒子的衰變;一個電磁力調節帶電粒子之間的力;和重力它控制著引力相互作用。為了觀察太空中的物質,我們需要它透過電磁力相互作用,因為這涉及望遠鏡可以記錄的光或其他電磁輻射的釋放。
已經有相當多的候選人了——每個候選人都有自己獨特的互動方式。然而,有些理論比其他理論更有可能成功。以下是我認為最有可能出現的五個候選粒子。
1. WIMP
這弱相互作用大質量粒子,或“WIMP”,是一種看起來很有前途的假設粒子。它將與我們所知的物質類型完全不同,並透過電磁力相互作用,這可以解釋為什麼它們在太空中基本上不可見。其中大約有 100,000 個粒子每秒會穿過地球的每一平方厘米,僅透過弱力和重力與周圍物質相互作用。
如果 WIMP 存在,數學模型顯示其數量一定是正常物質的五倍左右,這與我們在宇宙中觀察到的暗物質的豐度一致。這意味著我們應該能夠透過它們的碰撞來檢測它們,因為這會導致地球上的帶電粒子反沖,產生我們可以觀察到的光在實驗中,例如氙氣100。
WIMP 已成為大量廣泛研究的主題,尤其是在超實體標準模型,它獨立預測這樣的粒子一定存在——這一巧合被稱為“WIMP奇蹟'。
2. 軸子
軸子是低質量、緩慢移動的粒子,不帶電荷,僅與其他物質相互作用微弱,這使得它們很難(但並非不可能)被檢測到。只有特定質量的軸子才能解釋暗物質的不可見性質——如果它們更輕或更重,我們就能看到它們。如果軸子確實存在,它們將能夠衰變成一對光粒子(光子),這意味著我們可以透過尋找這樣的對來檢測它們。實驗包括軸子暗物質實驗目前正在以這種方式尋找軸子。
3. 男子氣概
MACHO 代表 '巨大的天體物理緻密暈天體」並且是最早提出的暗物質候選者之一。這些物體,包括中子星、褐矮星和白矮星,都是由普通物質組成的。那他們怎麼可能是隱形的呢?原因是它們發出的光很少甚至不發光。
觀察它們的一種方法是監測遙遠恆星的亮度。由於光線在靠近大質量物體時會彎曲,因此來自遠處光源的光線可能會被較近的物體聚焦,使遠處的物體突然變亮。這種效應,稱為重力透鏡效應,取決於星系中有多少正常物質和暗物質——我們可以用它來計算潛伏在周圍的物質量。然而,我們現在知道不太可能受夠了這些黑暗的屍體可以累積起來構成現存的大量暗物質。
4. 卡魯札-克萊因粒子
這卡魯扎-克萊因理論除了我們已知的三個空間維度(高度、寬度、深度)和時間之外,它還圍繞著捲曲在空間中的無形「第五次元」的存在而建構。這理論的先驅弦理論,預測存在可能是暗物質粒子的粒子,其質量相同550 至 650 個質子(它們與中子一起構成原子核)。
這種粒子可以透過電磁力和重力相互作用。然而,由於它捲曲在我們看不到的空間裡,我們僅僅透過看天空是無法觀察到它的。幸運的是,該粒子應該很容易在實驗中尋找,因為它應該衰變成我們可以測量的粒子- 進入和光子。然而,大型強子對撞機等強大的粒子加速器尚未偵測到它。
5.重力
理論結合和“超對稱性”預測了一種稱為重力。超對稱性是一個成功的理論,解釋了物理學中的許多觀察結果,它指出所有“玻色子粒子– 例如光子(光粒子) – 有一個“超級夥伴”,即光微子,其具有稱為“自旋”(一種角動量)的屬性,其相差半整數。引力子將是假設的「引力子」的超級夥伴,被認為可以調節萬有引力。在一些引力子很輕的超引力模型中,它可以解釋暗物質。