当我们观察宇宙时——即使使用最强大的望远镜——我们也只能看到一个问题的一小部分我们知道一定在那里。事实上,对于宇宙中每克原子来说,至少有隐形材料多五倍称为''。迄今为止,尽管科学家花费了数十年的时间进行寻找,但仍未能发现它。
我们之所以知道它存在,是因为星系团的引力和我们观察到的其他现象。我们在星团中看到的物质不足以仅通过重力将其结合在一起,这意味着必须存在一些额外的不可见或模糊的物质。但我们不知道它是什么——它可能由新的、尚未发现的粒子组成。
有暗物质粒子可以与之相互作用。有的是强大的力量将原子核结合在一起;这弱力它控制着放射性等粒子的衰变;一个电磁力调节带电粒子之间的力;和重力它控制着引力相互作用。为了观察太空中的物质,我们需要它通过电磁力相互作用,因为这涉及望远镜可以记录的光或其他电磁辐射的释放。
已经有相当多的候选人了——每个候选人都有自己独特的互动方式。然而,有些理论比其他理论更有可能成功。以下是我认为最有可能出现的五个候选粒子。
1. WIMP
这弱相互作用大质量粒子,或“WIMP”,是一种看起来很有前途的假设粒子。它将与我们所知的物质类型完全不同,并通过电磁力相互作用,这可以解释为什么它们在太空中基本上不可见。其中大约有 100,000 个粒子每秒会穿过地球的每一平方厘米,仅通过弱力和重力与周围物质相互作用。
如果 WIMP 存在,数学模型表明其数量一定是正常物质的五倍左右,这与我们在宇宙中观察到的暗物质的丰度一致。这意味着我们应该能够通过它们的碰撞来检测它们,因为这会导致地球上的带电粒子反冲,产生我们可以观察到的光在实验中,例如氙气100。
WIMP 已成为大量广泛研究的主题,尤其是在超物理标准模型,它独立预测这样的粒子一定存在——这一巧合被称为“WIMP奇迹'。
2. 轴子
轴子是低质量、缓慢移动的粒子,不带电荷,仅与其他物质相互作用微弱,这使得它们很难(但并非不可能)被检测到。只有特定质量的轴子才能解释暗物质的不可见性质——如果它们更轻或更重,我们就能看到它们。如果轴子确实存在,它们将能够衰变成一对光粒子(光子),这意味着我们可以通过寻找这样的对来检测它们。实验包括轴子暗物质实验目前正在以这种方式寻找轴子。
3. 男子气概
MACHO 代表 '巨大的天体物理致密晕天体”并且是最早提出的暗物质候选者之一。这些物体,包括中子星、褐矮星和白矮星,都是由普通物质组成的。那么他们怎么可能是隐形的呢?原因是它们发出的光很少甚至不发光。
观察它们的一种方法是监测遥远恒星的亮度。由于光线在靠近大质量物体时会发生弯曲,因此来自远处光源的光可能会被较近的物体聚焦,从而使远处的物体突然变亮。这种效应,称为引力透镜效应,取决于星系中有多少正常物质和暗物质——我们可以用它来计算潜伏在周围的物质量。然而,我们现在知道不太可能受够了这些黑暗的尸体可以积累起来构成现存的大量暗物质。
4. 卡鲁扎-克莱因粒子
这卡鲁扎-克莱因理论除了我们已知的三个空间维度(高度、宽度、深度)和时间之外,它还围绕着卷曲在空间中的无形“第五维度”的存在而构建。这一理论的先驱弦理论,预测存在可能是暗物质粒子的粒子,其质量相同550 至 650 个质子(它们与中子一起构成原子核)。
这种粒子可以通过电磁力和重力相互作用。然而,由于它卷曲在我们看不到的空间里,我们仅仅通过看天空是无法观察到它的。幸运的是,该粒子应该很容易在实验中寻找,因为它应该衰变成我们可以测量的粒子- 进入和光子。然而,大型强子对撞机等强大的粒子加速器尚未探测到它。
5.重力
理论结合和“超对称性”预测了一种称为重力。超对称性是一个成功的理论,解释了物理学中的许多观察结果,它指出所有“玻色子粒子– 例如光子(光粒子) – 有一个“超级伙伴”,即光微子,其具有称为“自旋”(一种角动量)的属性,其相差半整数。引力子将是假设的“引力子”的超级伙伴,被认为可以调节万有引力。在一些引力子很轻的超引力模型中,它可以解释暗物质。