互动科普

这个新的反物质粒子来源就是神秘的暗物质，而暗物质正是现代天文学和物理学中最大的谜团之一。

早在20世纪30年代，瑞士天文学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）就通过观测星系团最早发现了暗物质。兹威基在研究后发座星系团时，发现其中的星系运动速度异常地高，通过计算对如此高速运动的星系束缚所需要的引力，估算出星系团的总质量应该是其可见物质质量的100倍以上。也就是说，在该星系团中99%以上的质量是看不见的，我们只能通过引力“感觉”到它们的存在，兹威基就将这些质量称为暗物质。尽管兹威基的结果在刚发表时并没有多少人理会，但此后越来越多的观测结果都间接证实了暗物质的存在。比如，和兹威基观测星系团同样的原理，通过观测星系中恒星和气体的公转速度，也确认了星系中有大量暗物质存在。银河系中暗物质总质量大约是可见物质（包括发光的恒星和不发光的星际气体物质等）的20倍。最后，人们发现宇宙中不可见的暗物质远多于可见的发光物质。

暗物质是什么呢？人们首先想到的当然是不发光的普通物质（宇宙学上称为重子物质），如气体、行星等。但是，经过多方面的研究，发现它们只能占暗物质的一小部分，而不足以构成暗物质的主要部分。根据宇宙中轻元素的丰度以及微波背景辐射（CMB）等测量，可以知道重子物质只占宇宙总密度的约4.6%，而暗物质与重子物质共占宇宙总密度的约1／3（其余2／3是现在成为暗能量的一种更为奇特的物质形式），所以暗物质不可能是由普通物质所构成。

迄今为止我们只能通过引力作用知道暗物质的存在，而无法直接看到它。不过，根据天文观测，我们可以推测出它的许多性质。大量研究表明，它不是我们今天已知的任何一种粒子。它不发光（不参与电磁相互作用），它的运动速度不能太快（是“冷”或“温”暗物质而不能是“热”暗物质）。就目前而言，最被看好的暗物质模型是所谓“弱相互作用重粒子”（Weakly Interacting Massive Particle，WIMP）。

物理学上发现了物质的四种基本相互作用形式，人们都比较熟悉万有引力和电磁相互作用，但除此而外，还有两种相互作用力，被称为强相互作用和弱相互作用。所有的物质都参与万有引力作用，但未必参与其他几种相互作用。比如，电子就不参与强相互作用，而中微子不参与强相互作用和电磁相互作用。如果一种粒子不参与电磁相互作用和强相互作用，那么就像中微子一样，很难被发现，有充当暗物质的可能。本来，最容易想到的可能的暗物质就是人们早已发现的中微子，但已知的几种中微子质量太小，因此作为暗物质候选者早已被排除。但是，可以设想存在某种粒子，不参与强相互作用和电磁相互作用，但参与弱相互作用，同时质量比质子和中子大，这样的粒子就是WIMP。

WIMP之所以成为暗物质的热门候选者，主要有三个原因：首先，WIMP具有“冷暗物质”的各种性质，而基于冷暗物质的宇宙学模型与观测符合得比较好。其次，在粒子物理理论中比较容易构造出符合WIMP特点的粒子。例如，流行的超对称理论就预言可能存在最轻超对称粒子，这种粒子如果不带电就很容易符合WIMP的特性。最后，正如电子和反电子一样，WIMP暗物质粒子也有可能相互湮灭。一种可能性是，暗物质也可以区分为正粒子和反粒子，相互湮灭。还有一种可能是，暗物质粒子和反粒子是同一种粒子（拿我们熟悉一点的粒子举例，光子的反粒子也是光子），这样两个暗物质粒子之间也可以湮灭。在宇宙早期，物质密度比较高，暗物质粒子之间可以相互湮灭，形成其他粒子，对于具有典型的弱相互作用的暗物质粒子，它们之间发生湮灭的速度正好是这样一个值，使得最后遗留下来的暗物质粒子的密度恰恰与目前的观测值基本相符。

 超对称暗物质湮灭

两个超对称暗物质粒子（中性微子）湮灭后最终产生正负电子对或质子-反质子对。

暗物质粒子湮灭后可能会产生稳定的高能粒子如伽马射线、正电子、反质子、中微子等，如果我们能够精确测量这些粒子的能谱，可能会发现暗物质粒子留下的蛛丝马迹。其中，与我们这里讨论的问题直接相关的，是正电子和反质子这些反粒子。一般的宇宙线粒子虽然在碰撞时可能产生反粒子，但产生的数量相对于正物质粒子比较少，其能量分布也是幂律谱。WIMP湮灭产生的正物质粒子和反物质粒子数量一样多，因此会导致较高的反粒子密度。而且，由于暗物质粒子本身有特定的质量，产生的粒子的能量就大约是暗物质粒子的质量。因此，这样产生的反物质粒子能量分布不会是幂律谱，而是在暗物质粒子质量附近有一个峰。探测反物质的能谱，是间接地寻找暗物质的一种很好的方法。

（本文发表于《科学世界》2013年第5期）