隨著暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)，尋找組成暗物質(zhì)的粒子成了物理學(xué)家最迫切的任務(wù)之一。那么在這個(gè)領(lǐng)域，這些年來有何進(jìn)展呢？
2007年12月26日凌晨3:30，麥克默多，南極。
負(fù)責(zé)釋放科學(xué)實(shí)驗(yàn)氣球的工作人員在零下40多度的氣溫下徹夜未眠，等待著風(fēng)力減退。最后總算天從人愿，充著上百萬立方米氦氣的大氣球終于升空了。氣球上搭載有科學(xué)儀器，科學(xué)家要用它來開展宇宙線實(shí)驗(yàn)。
在隨后的19天里，氣球在南極上空飄了一圈，收集了大量數(shù)據(jù)。經(jīng)過緊張?zhí)幚恚荒曛?，?shí)驗(yàn)人員宣布了一條重大消息：他們探測(cè)到高能電子比預(yù)期的要多。這個(gè)結(jié)果聽起來似乎沒什么，但在內(nèi)行人的眼里卻意義重大，這些高能電子或許正是“神龍見首不見尾”的暗物質(zhì)向我們泄露的蛛絲馬跡。
捕捉到了
暗物質(zhì)粒子的行蹤
暗物質(zhì)是天文學(xué)上的后來者，這種不可見的物質(zhì)被認(rèn)為占宇宙中物質(zhì)總量的80%以上。它好比宇宙的“腳手架”，沒有它的引力，星系和星系團(tuán)就會(huì)四散飛離?？墒浅艘?，它跟普通物質(zhì)幾乎沒有相互作用，因此組成暗物質(zhì)的是什么粒子，在科學(xué)上一直是個(gè)謎。目前可以肯定的是，暗物質(zhì)粒子大概只參與弱力和引力作用，而且具有較大的質(zhì)量。物理學(xué)家一般籠統(tǒng)地稱其為“弱相互作用大質(zhì)量粒子（英文縮寫WIMP）”。
但事實(shí)上，滿足這兩個(gè)特征的粒子理論上不止一種。因此，物理學(xué)家的任務(wù)就是結(jié)合實(shí)驗(yàn)，把真正的暗物質(zhì)粒子篩選出來。沒有比這件事更艱難和撲朔迷離的了。
早在1990年代，搭載于美國“發(fā)現(xiàn)號(hào)”航天飛機(jī)上的磁譜儀就在太空中探測(cè)到比預(yù)期更多的正電子，此后，搭載于高空氣球上的反物質(zhì)探測(cè)器也觀察到了同樣現(xiàn)象。但由于這些實(shí)驗(yàn)誤差太大，人們還不敢確認(rèn)這一結(jié)果是否屬實(shí)。
就在科學(xué)家進(jìn)行南極實(shí)驗(yàn)之前幾個(gè)月，意大利的一個(gè)研究小組報(bào)道說，他們?cè)诨谌嗽煨l(wèi)星的實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了比預(yù)期要多的高能電子。后兩次實(shí)驗(yàn)相當(dāng)精確，因此看來結(jié)果已經(jīng)不再含糊。天體物理學(xué)家長久以來一直努力從不涉及暗物質(zhì)的尋常途徑來解釋這些多出的正負(fù)電子。如果尋常途徑解釋不通，那么最大的可能是它們來自WIMP粒子的湮滅。
按照理論家的設(shè)想，這種WIMP粒子的質(zhì)量是質(zhì)子的600到1000倍，不論它們?cè)诤翁幋罅糠e聚，都會(huì)因相互碰撞而湮滅，釋放出像正負(fù)電子和質(zhì)子之類的普通粒子。這些次生的粒子很容易跟宇宙線與星際塵埃碰撞時(shí)產(chǎn)生的粒子混在一起，使我們難以辨認(rèn)它們究竟來自暗物質(zhì)還是來自宇宙線。
誰是暗物質(zhì)粒子？
如今，事情是如此激動(dòng)人心。但當(dāng)人們?cè)噲D辨別這種WIMP粒子是什么粒子的時(shí)候，卻陷入了困境。
原來，自1980年代以來，WIMP的首選粒子是“中性微子”——一種理論上假想的穩(wěn)定粒子。這種粒子，物理學(xué)家一開始并不是為了暗物質(zhì)，而是為了修正粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型而提出來的。它質(zhì)量足夠大，與普通物質(zhì)只有弱相互作用，這一切剛好符合暗物質(zhì)粒子的條件，而最重要的是，它在早期宇宙中的密度剛好可以解釋我們今天觀察到的暗物質(zhì)分布。
然而，上述幾個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果卻對(duì)暗物質(zhì)粒子給出了額外的限制條件，而中性微子似乎滿足不了這個(gè)條件。根據(jù)物理學(xué)家對(duì)中性微子的理解，它們湮滅時(shí)產(chǎn)生少量的高能電子和大量的低能電子。可是上述實(shí)驗(yàn)觀察到的卻相反：高能電子比低能電子要多得多。此外，中性微子湮滅按理應(yīng)該還要產(chǎn)生正反質(zhì)子，但實(shí)驗(yàn)中卻沒有觀察到。這些證據(jù)不得不把中性微子排除在外。
于是人們現(xiàn)在傾向于另一種暗物質(zhì)粒子候選者，這種粒子叫“卡魯扎-克萊因”粒子。它最初是在1930年代提出來的。當(dāng)時(shí)，德國物理學(xué)家卡魯扎和克萊因?yàn)榱私y(tǒng)一引力和電磁力，假想存在空間的額外維度，而卡魯扎-克萊因粒子就是這一理論的副產(chǎn)品。
根據(jù)卡魯扎-克萊因的理論，像電子這類已知的粒子，當(dāng)它們進(jìn)入蜷縮的、隱藏起來的空間額外維度時(shí)，會(huì)以不同的速度運(yùn)動(dòng)。在額外維度運(yùn)動(dòng)的能量在我們這個(gè)世界表現(xiàn)為質(zhì)量。所以，一個(gè)在更高維度運(yùn)動(dòng)的電子在我們看來就變成了更重的卡魯扎-克萊因電子。這些重粒子是短壽命的，會(huì)衰變?yōu)檩^輕的粒子，而它衰變的產(chǎn)物正好具有暗物質(zhì)的性質(zhì)。
卡魯扎-克萊因粒子還有另外一個(gè)迷人之處。當(dāng)它們相互碰撞并湮滅時(shí)，就轉(zhuǎn)化為正負(fù)電子或者正反μ子，而這些粒子的能量剛好與上述幾個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相符合。
如果科學(xué)家能夠證明卡魯扎-克萊因粒子存在，那么他們不僅解決了暗物質(zhì)難題，還將證實(shí)空間除了上下、左右、前后等維度外，還存在更高的維度。這真是一箭雙雕的大好事。
我們身邊隱藏著
一個(gè)暗世界？
宇宙除了可能具有更高維度，暗物質(zhì)或許還告訴我們，宇宙比我們想象的還要奇怪。
事情還得追溯到2002年。這一年歐洲宇航局發(fā)射的伽馬射線衛(wèi)星在銀河系中探測(cè)到能量為511KeV的光子。經(jīng)過認(rèn)真排查，它們看來不像來自尋常的天體。
難道這些光子也來自暗物質(zhì)？美國哈佛大學(xué)的一位物理學(xué)家經(jīng)過計(jì)算表明，如果WIMP粒子在相互碰撞時(shí)能進(jìn)入一個(gè)激發(fā)態(tài)，那么它們回到基態(tài)時(shí)，就可以發(fā)射出511KeV的光子。
但是要想讓上述計(jì)算成立，必須假設(shè)WIMP粒子通過一種新的相互作用力作用。日常的作用力，像電磁力是靠光子在電荷間彼此傳遞的。同樣的道理，新的力也需要一種假想的粒子在WIMP之間傳遞，這種粒子的質(zhì)量與質(zhì)子相近。
暗物質(zhì)，暗物質(zhì)粒子，暗相互作用力，傳遞暗相互作用力的粒子……看來已經(jīng)具備了一個(gè)獨(dú)立的隱世界的所有條件了。這個(gè)隱世界可能與我們這個(gè)可見的世界一樣復(fù)雜，甚至與我們比鄰而居，只是因它與我們這個(gè)世界很少交流（即相互作用），我們才覺察不到它。
引入暗作用力甚至還可以把目前所有有關(guān)暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果給統(tǒng)一起來。比如說，假設(shè)WIMP粒子之間存在暗相互作用，那湮滅的概率就提高了100至1000倍（好比引力的存在提高了天體之間碰撞的概率一樣），這樣一來正好可以解釋本文最初提到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因?yàn)橐卿螠绺怕侍?，我們就很可能觀察不到湮滅產(chǎn)生的高能電子。
計(jì)算還表明，當(dāng)WIMP粒子湮滅時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生傳遞暗相互作用力的粒子，而后這些粒子將發(fā)生衰變。因?yàn)樗鼈兊馁|(zhì)量差不多與質(zhì)子相等，要衰變成質(zhì)子和反質(zhì)子顯得太輕了，所以只能衰變成更輕的電子和正電子了。這或許就是我們?yōu)槭裁刺綔y(cè)到的正負(fù)電子比預(yù)期的要多，而又探測(cè)不到正反質(zhì)子的原因。
粒子能態(tài)
根據(jù)量子力學(xué)理論，電子在繞原子核運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，它們只能在特定的、分立的軌道上運(yùn)動(dòng)，各個(gè)軌道上的電子具有分立的能量，這些能量狀態(tài)就稱為能態(tài)。其中能量最低的狀態(tài)叫基態(tài)，其余的叫激發(fā)態(tài)?；鶓B(tài)只有一個(gè)，激發(fā)態(tài)可以有很多個(gè)。電子從高能態(tài)跳到低能態(tài)時(shí)，要發(fā)射光子。這些光子的能量一般以KeV來衡量。1KeV相當(dāng)于一個(gè)電子經(jīng)過1千伏的電場(chǎng)加速后所獲得的能量。
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