新研究：「超重」暗物質恐將顛覆我們對宇宙的理解

有大量證據顯示，宇宙中正在發生一些蹊蹺的事。恆星在星系中的公轉速度太快，星系在星系團中的移動速度也過於迅速，而且宇宙結構的形成和演化速度也異常快速。倘若只計算我們能看見的物質，根本沒有足夠的引力可以解釋這些現象。絕大多數的宇宙學家相信，這些現象都可以透過暗物質的存在來解釋。暗物質是一種假設性的物質形式，質量龐大、呈電中性，而且極少與普通物質發生相互作用。暗物質構成了宇宙中的大部分質量，遠遠超過了可見物質的量。

暗物質究竟是什麼，至今仍是個謎。旨在探測罕見碰撞的實驗，都未能發現任何線索。這些實驗主要聚焦在特定的質量範圍：大約10到1000吉電子伏特（GeV）（1吉電子伏特相當於10億電子伏特），這和已知最重的粒子，如W玻色子和頂夸克的質量範圍相近。數十年來，理論學家們傾向於這個質量範圍，因為粒子物理標準模型的一些簡單擴充套件預測了此類粒子的存在。

然而，由於一直未有所發現，我們開始思索，暗物質的質量是否比我們原先認為的更輕或更重。但根據釋出在預印本資料庫arXiv上的一篇新論文，質量更大的暗物質存在一些嚴重問題。

問題在於，暗物質確實偶爾會與普通物質發生相互作用，只是機率極低。在早期宇宙，當時宇宙更熱且密度更高，這些相互作用要頻繁得多。最終，隨著宇宙膨脹和冷卻，這些相互作用逐漸減少直至停止，導致暗物質「凍結」，在宇宙背景中保持「沉默」。

有許多潛在的暗物質候選模型，其中不少透過希格斯玻色子（一種與幾乎所有其他粒子相互作用，並賦予它們質量的基本粒子）的交換，與普通粒子發生相互作用。

我們已知希格斯玻色子的質量約為125吉電子伏特。研究人員發現，這個質量為大多數暗物質候選者的可能質量設定了一個基本的上限。

問題在於，物理學中的所有相互作用都是雙向的。希格斯玻色子既與暗物質交流，也與普通物質交流，在許多模型中，它還介導了兩者之間的相互作用。但這兩種物質也會反作用於希格斯玻色子。這些相互作用表現為對希格斯玻色子質量的微小修正。

對於標準模型粒子，我們可以計算這些修正和反饋相互作用，理論學家就是透過這種方式，在希格斯玻色子被發現之前，就預測出了它的質量。

研究人員發現，如果暗物質粒子的質量大於幾千吉電子伏特，它對希格斯玻色子質量的影響將極為顯著，會使其偏離觀測到的數值。而且由於希格斯玻色子在決定許多其他基本物理特性方面至關重要，這將從根本上導致粒子間的相互作用完全停止。

然而，也有繞過這個限制的可能性。暗物質可能根本不與普通粒子相互作用，或者相互作用可能透過一些不涉及希格斯玻色子的奇特機制發生。但這些模型少之又少，而且需要大量的精細調整和額外步驟。

或者，暗物質可能比我們想象的更輕。如果認為重暗物質不是可行的候選者，那麼在我們繼續探索宇宙中這個神秘組成部分的過程中，可以把精力轉向另一個方向。目前，對軸子（一些粒子物理模型預測的超輕粒子，可能是可行的暗物質候選者）的研究興趣已經激增。

在實驗方面，如果這個結果得到證實，並且被證明是對暗物質粒子質量的普遍限制，我們就可以最佳化和重新設計實驗，以尋找低質量而非高質量的粒子。

原文釋出於Space.com