神秘的暗物質可能是來自額外維度的宇宙遺跡

這是美國自然歷史博物館海登天文館“暗宇宙空間展”的主題圖片，突出展示了暗物質可能在我們的宇宙中無處不在。在這幅精細的計算機模擬圖中，復雜的暗物質纖維如同蜘蛛網一般散布在宇宙中，而我們常見的重子物質則呈現為橙色團塊，在宇宙中相對罕見。這些模擬與天文觀測結果具有良好的統計匹配度。暗物質可能還不是宇宙中最奇怪的引力來源，這一“榮譽”已經落到了暗能量身上；暗能量是一種更均勻的排斥性引力來源，似乎主宰了整個宇宙的膨脹。

研究人員的計算表明，這些粒子的數量可能正好足以解釋暗物質。目前，物理學家還未真正觀測到暗物質的存在，只能通過其對普通物質的引力效應來“觀測”，大量的引力子產生于早期宇宙中普通粒子的碰撞。以往認為這一過程是非常難以發生的，因此大量的引力子不可能成為暗物質的候選。

在發表于今年2月《物理評論快報》（Physical Review Letters）的一項新研究中，物理學家發現，早期宇宙可能會產生大量的引力子，足以解釋我們目前在宇宙中探測到的暗物質。

宇宙是否具有比我們想象的更多維度？

該研究發現，如果早期宇宙的引力子真的存在，那它們的質量將小于1MeV，不超過電子質量的兩倍。這個質量水平遠低于希格斯玻色子產生普通物質質量的尺度——這是該模型產生足夠數量的希格斯玻色子來解釋宇宙中所有暗物質的關鍵。（相比之下，根據美國國家標準與技術研究所的數據，已知的最輕的粒子中微子質量不到2eV，而質子的質量約為940 MeV。）

研究團隊在尋找額外維度的證據時發現了這些假想的引力子。一些物理學家懷疑，在我們已觀測到的三維空間和第四維時間之外，還存在著其他額外的維度。根據該團隊的理論，當引力通過額外維度傳播時，它會在我們的宇宙中以大量引力子的形式出現。

不過，這些粒子只能與普通物質發生微弱的相互作用，而且只能通過引力產生作用。這種描述與目前已知的暗物質特性驚人地相似：暗物質不與光相互作用，但卻具有宇宙中任何地方都能感受到的引力效應。例如，物理學家認為，暗物質所產生的引力效應是阻止星系分離的原因。

在廣義相對論中，引力被看作是一種幾何現象，即時空的曲率。在目前的物理學中，這個觀點獲得了極大成功。而量子力學的觀點認為，作用力是由不連續的能量包（即量子）交換而產生的。不同的量子產生了不同的作用力。基于這種觀點，量子物理學的標準模型認為，基本相互作用都是由量子交換產生的，并提出了規范玻色子的理論，如電磁力由光子交換產生，弱核力由W及Z玻色子交換產生，強核力由膠子交換產生。這個理論預測，引力也應該是由某種玻色子交換產生的，而這種玻色子就被稱為引力子。

這張宇宙演化的示意圖顯示，最早期的恒星和星系形成于宇宙大爆炸后的最初幾億年間。

對于大量引力子作為暗物質粒子的假說，其主要優勢在于，這些粒子僅通過引力相互作用，因此可以逃避探測它們存在的嘗試，相比之下，其他暗物質候選粒子——如大質量弱相互作用粒子（WIMP）、軸子和中微子——也可能通過它們與其他力和場的非常細微的相互作用而被探測到。許多科學家認為，WIMP是暗物質最有希望的候選，但最新的研究稱，暗物質的質量應該小于WIMP。目前有許多實驗在尋找理論上的WIMP粒子，這些實驗必須在地下進行，以避免宇宙射線的干擾。

事實上，大量的引力子幾乎不會通過引力與宇宙中的其他粒子和力相互作用，這提供了另一個優勢。由于它們之間的相互作用非常微弱，因此衰變得非常緩慢，以至于在整個宇宙的生命周期中都保持穩定，出于同樣的原因，它們在宇宙膨脹期間緩慢產生，不斷積累，直到今天。

以往物理學家認為，引力子不太可能是暗物質的候選，因為它們的產生過程極其罕見。因此與其他粒子相比，引力子的產生速度要低得多。但研究小組發現，在大爆炸后的萬億分之一秒內，引力子的數量可能比過往理論所認為的要多得多。研究發現，這種數量的增多足以讓引力子完全解釋我們在宇宙中探測到的暗物質數量。

由于大量引力子形成于希格斯玻色子的能量尺度之下，因此它們不受與更高能量尺度相關的不確定性的影響，而目前的粒子物理學無法很好地描述這種不確定性。該團隊的理論將在大型強子對撞機（LHC）等粒子加速器上研究的物理學與引力物理學聯系起來。這意味著，像歐洲核子研究中心的未來環形對撞機（FCC）這樣的超大型粒子加速器可以用來尋找這些潛在暗物質粒子存在的證據。FCC的規模將是目前世界上最強的粒子加速器LHC的四倍，撞擊能量上也可達到LHC的六倍。按照計劃，該加速器將于2035年開始運行。（任天）