科學(xué)家構(gòu)建的三維暗物質(zhì)圖
據(jù)美國12月8日報道，暗物質(zhì)是什么？為什么宇宙中物質(zhì)多于反物質(zhì)？神秘的X粒子將同時揭開宇宙中這兩大奧秘。
宇宙中存在著我們看不見摸不著的“反物質(zhì)世界”，它的基本屬性同我們周圍的世界正好相反。反物質(zhì)的原子核是由反質(zhì)子和反中子構(gòu)成的“負(fù)核”，外有正電子環(huán)繞。反物質(zhì)一旦同“正物質(zhì)”接觸，便會在瞬間發(fā)生爆炸，物質(zhì)和反物質(zhì)變?yōu)楣庾踊蚪樽?，產(chǎn)生“湮滅”現(xiàn)象。英國物理學(xué)家狄拉克把量子力學(xué)與高速運(yùn)動所必須的相對論力學(xué)相結(jié)合導(dǎo)致產(chǎn)生了反物質(zhì)的概念。宇宙誕生之初，物質(zhì)和反物質(zhì)不斷碰撞、互相湮滅。湮滅的過程隨著我們的宇宙慢慢冷卻下來而逐步減慢，物質(zhì)和反物質(zhì)本應(yīng)該一樣多，但實(shí)際上不是的。相反，物質(zhì)粒子比反物質(zhì)粒子略多一些，物理學(xué)家稱之為“重子不對稱”。
那么這種不對稱到底是如何產(chǎn)生的呢？科學(xué)家必須要尋找一個合理的物理機(jī)制來解釋它。一個包括英屬哥倫比亞大學(xué)、加拿大國家實(shí)驗(yàn)研究中心(TRIUMF)、美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)在內(nèi)的科學(xué)團(tuán)隊(duì)，給出了解決這個困擾已久的宇宙謎題的“方案”。他們猜測在宇宙嬰兒期的神秘粒子“X”將是解決自然界暗物質(zhì)之謎和重子不對稱之謎的關(guān)鍵。
也許由“X"粒子構(gòu)成的反物質(zhì)其本質(zhì)就是暗物質(zhì)。我們都知道占宇宙1/4的暗物質(zhì)除了引力作用，不與普通物質(zhì)發(fā)生任何其它的作用。同時更重要的是，暗物質(zhì)主導(dǎo)了宇宙結(jié)構(gòu)的形成。暗物質(zhì)的本質(zhì)現(xiàn)在還是個謎，但是如果假設(shè)它是一種大質(zhì)量弱相互作用粒子(Weaklyinteractingmassiveparticles，簡稱WIMP)的話，那么由此形成的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)與觀測相一致。理論預(yù)言這種粒子應(yīng)該具備這些特點(diǎn)：粒子只通過弱核力和引力產(chǎn)生相互作用，或者粒子的相互作用截面小于弱核力作用截面；與普通粒子相比質(zhì)量較大。由于它們不參與電磁力作用，因此無法被直接探測到；由于它們不參與強(qiáng)核力作用，因此它們基本上與普通物質(zhì)不發(fā)生相互作用；由于它們較大的質(zhì)量，因此它們運(yùn)動的速度相對緩慢，因而能夠成團(tuán)聚集。根據(jù)以上特點(diǎn)，WIMP被認(rèn)為是最有可能的“冷暗物質(zhì)”候選者。不過，最近對星系以及亞星系結(jié)構(gòu)的分析顯示，這一假設(shè)和觀測結(jié)果之間存在著差異。
未知新粒子“X”理論與現(xiàn)有的WIMP理論完全不同。該項(xiàng)目研究人員克里斯•希古爾森等人提出了一種正反”X“粒子對的假設(shè)：”X“粒子誕生于物質(zhì)衰變，反"X"粒子誕生于反物質(zhì)衰變。他們把這個過程稱為“物質(zhì)生成論”。按照假設(shè)，“X”粒子要么衰變成一個中子，要么衰變成兩個假設(shè)的未知粒子，我們稱它們?yōu)?ldquo;Y”和“θ”。同時，一個反“X”粒子要么衰變成一個反中子，要么衰變成兩個未知的粒子：反“Y”粒子和反“θ”粒子。結(jié)果“X"粒子更傾向于衰變?yōu)橹凶佣皇俏粗膬煞N粒子。但是這個現(xiàn)象被反”X“粒子抵消了：反”X“粒子更傾向于衰變?yōu)槲粗膬煞N反粒子而不是反中子。
理論上，這個新的“X”粒子方案導(dǎo)致了物質(zhì)和反物質(zhì)的對稱性，也就是說，在宇宙中，可見原子中的正重子數(shù)量，與暗物質(zhì)擁有的負(fù)重子數(shù)量是正好相當(dāng)且達(dá)成平衡的，這就將暗物質(zhì)與原子的結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來。而在暗物質(zhì)與可見物質(zhì)的重子平衡被“修復(fù)”了的情況下，我們見到的宇宙就呈現(xiàn)由原子構(gòu)成的狀態(tài)，且這些原子每一個都攜帶著一個為正的重子，而原子核內(nèi)皆為帶正電荷的質(zhì)子和不帶電荷的中子，電荷正好等同于核內(nèi)質(zhì)子與中子電荷的全部總數(shù)。
此前，通過威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)衛(wèi)星對宇宙微波背景輻射的探測，已知原子占宇宙密度的4.6%，暗物質(zhì)則是23%，是前者原子的5倍。研究人員新給出的“X”粒子方案或?qū)⒔忉尀楹芜@個密度差異會恰好是5倍。這種表述比WIMP模型更精準(zhǔn)。
而在此項(xiàng)研究中，科學(xué)家同時衍生出了全新方法來檢測暗物質(zhì)：眾所周知反粒子會與正粒子相遇而湮滅，現(xiàn)在暗物質(zhì)中的反粒子很可能做出同樣的事來。盡管其發(fā)生頻率可能極低，但也催生出了全新的探測方法。在某種程度上物質(zhì)生成論或者某種相似的大膽的模型將可能代替現(xiàn)有的WIMP模型。
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