未知新粒子X可揭开宇宙暗物质和反物质两大奥秘(图)

2010-12-10 20:15

科学家构建的三维暗物质图

据美国《连线》网报导，暗物质是什么？为什么宇宙中物质多于反物质？神秘的X粒子将同时揭开宇宙中这两大奥秘。

宇宙中存在着我们看不见摸不着的“反物质世界”，它的基本属性同我们周围的世界正好相反。反物质的原子核是由反质子和反中子构成的“负核”，外有正电子环绕。反物质一旦同“正物质”接触，便会在瞬间发生爆炸，物质和反物质变为光子或介子，产生“湮灭”现象。英国物理学家狄拉克把量子力学与高速运动所必须的相对论力学相结合导致产生了反物质的概念。宇宙诞生之初，物质和反物质不断碰撞、互相湮灭。湮灭的过程随着我们的宇宙慢慢冷却下来而逐步减慢，物质和反物质本应该一样多，但实际上不是的。相反，物质粒子比反物质粒子略多一些，物理学家称之为“重子不对称”。

那么这种不对称到底是如何产生的呢？科学家必须要寻找一个合理的物理机制来解释它。一个包括英属哥伦比亚大学、加拿大国家实验研究中心（TRIUMF）、美国布鲁克海文国家实验室等机构在内的科学团队，给出了解决这个困扰已久的宇宙谜题的“方案”。他们猜测在宇宙婴儿期的神秘粒子“X”将是解决自然界暗物质之谜和重子不对称之谜的关键。

也许由“X"粒子构成的反物质其本质就是暗物质。我们都知道占宇宙1/4的暗物质除了引力作用，不与普通物质发生任何其它的作用。同时更重要的是，暗物质主导了宇宙结构的形成。暗物质的本质现在还是个谜，但是如果假设它是一种大质量弱相互作用粒子(Weakly interacting massive particles，简称WIMP)的话，那么由此形成的宇宙大尺度结构与观测相一致。理论预言这种粒子应该具备这些特点：粒子只通过弱核力和引力产生相互作用，或者粒子的相互作用截面小于弱核力作用截面；与普通粒子相比质量较大。由于它们不参与电磁力作用，因此无法被直接探测到；由于它们不参与强核力作用，因此它们基本上与普通物质不发生相互作用；由于它们较大的质量，因此它们运动的速度相对缓慢，因而能够成团聚集。根据以上特点，WIMP被认为是最有可能的“冷暗物质”候选者。不过，最近对星系以及亚星系结构的分析显示，这一假设和观测结果之间存在着差异。

未知新粒子“X”理论与现有的WIMP理论完全不同。该项目研究人员克里斯•希古尔森等人提出了一种正反”X“粒子对的假设：”X“粒子诞生于物质衰变，反"X"粒子诞生于反物质衰变。他们把这个过程称为“物质生成论”。按照假设，“X”粒子要么衰变成一个中子，要么衰变成两个假设的未知粒子，我们称它们为“Y”和“θ”。同时，一个反“X”粒子要么衰变成一个反中子，要么衰变成两个未知的粒子：反“Y”粒子和反“θ”粒子。结果“X"粒子更倾向于衰变为中子而不是未知的两种粒子。但是这个现象被反”X“粒子抵消了：反”X“粒子更倾向于衰变为未知的两种反粒子而不是反中子。

理论上，这个新的“X”粒子方案导致了物质和反物质的对称性，也就是说，在宇宙中，可见原子中的正重子数量，与暗物质拥有的负重子数量是正好相当且达成平衡的，这就将暗物质与原子的结构联系起来。而在暗物质与可见物质的重子平衡被“修复”了的情况下，我们见到的宇宙就呈现由原子构成的状态，且这些原子每一个都携带着一个为正的重子，而原子核内皆为带正电荷的质子和不带电荷的中子，电荷正好等同于核内质子与中子电荷的全部总数。

此前，通过威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）卫星对宇宙微波背景辐射的探测，已知原子占宇宙密度的4.6%，暗物质则是23%，是前者原子的5倍。研究人员新给出的“X”粒子方案或将解释为何这个密度差异会恰好是5倍。这种表述比WIMP模型更精准。

而在此项研究中，科学家同时衍生出了全新方法来检测暗物质：众所周知反粒子会与正粒子相遇而湮灭，现在暗物质中的反粒子很可能做出同样的事来。尽管其发生频率可能极低，但也催生出了全新的探测方法。在某种程度上物质生成论或者某种相似的大胆的模型将可能代替现有的WIMP模型。