物理

暗物質深陷迷霧

最近的偵測結果迫使物理學家放棄WIMP,開始考慮暗物質組成的其他可能性。

撰文/畢林茲(Lee Billings)
翻譯/洪艾彊

物理

暗物質深陷迷霧

最近的偵測結果迫使物理學家放棄WIMP,開始考慮暗物質組成的其他可能性。

撰文/畢林茲(Lee Billings)
翻譯/洪艾彊


物理學再度錯失機會。物理學家用上最新穎、最靈敏的儀器,試圖尋找組成暗物質(佔宇宙總質量85%的不可見物質)的粒子,結果卻什麼都沒發現。這些難以捉摸的弱作用大質量粒子(WIMP),可能比物理學家預期的更擅長玩躲貓貓,或者這種粒子根本就不存在;第二種情況代表我們過去理解宇宙基礎理論的方式出了差錯。許多科學家依舊抱持希望,認為升級後的儀器將成功找到WIMP,但也有人開始重新審視先前所摒棄的關於暗物質組成的其他想法。


第一個令人失望的結果來自今年夏天的大地下氙(LUX)實驗,偵測方式是把1/3公噸的液態氙維持在-100℃,灌入美國南達科他州黑山地底1.5公里處的巨型水槽內。研究人員在隔絕大部份輻射污染源的地底不眠不休忙碌一整年,只為尋找WIMP撞擊氙原子核時發出的微弱亮光。不幸的是,在7月21日,他們宣佈什麼也沒有發現。


8月5日,第二個令人失望的消息來自有史以來能量最高的加速器:由日內瓦近郊的歐洲核子研究組織(CERN)所打造的大強子對撞機(LHC)。自2015年春天開始,LHC嘗試帶領粒子物理進入嶄新的領域,以前所未有的高能量、每秒數十億次的高頻率讓質子對撞,來尋找WIMP。先前,有兩組團隊宣稱偵測到足以揭密的關鍵,在質子碰撞後的次原子粒子中發現一些異常:過程中測量到多餘的能量,可能就來自WIMP(不過老實說,其他的奇特解釋也不無可能)。然而事與願違,當LHC進行更多的質子碰撞、蒐集更多數據後,這個異常竟然無聲無息消失了,顯示這只是統計上的偶發事件。


總而言之,這兩個負面結果對於暗物質研究是把雙面刃。一方面,它們為WIMP的質量和交互作用強度設下新的上限,這有助於下一代偵測器的設計,提升成功機會。另一方面,它們排除了那些最簡單、也最受歡迎的WIMP模型,同時也招致新的疑慮:研究人員擔心WIMP是否誤導了數十年來的暗物質研究?


美國芝加哥大學的宇宙學家科爾布(Edward"Rocky"Kolb)在1970年代協助奠定WIMP理論的基礎,他最初宣稱2010年開始將是「WIMP的黃金10年」,但是現在也承認研究結果遠不如預期。他坦言:「比起五年前對暗物質的認識與了解,我們現在反而更加深陷五里霧。」科爾布指出,大部份理論學家面對這些負面結果的態度是「讓WIMP理論更加百花齊放」,他們提出各種結構更複雜怪異的理論,希望解釋為什麼這個理應無所不在的粒子,竟能躲開我們所有的偵測器。


理論學家一心尋找WIMP模型,有兩個糾葛的理由。首先,WIMP是粒子物理標準模型幾種必然結果,會在大霹靂後隨即產生;其次,根據計算,如果這麼早期的WIMP的確存在,它們現今的豐度和特性,不管在定量或定性上都會和透過實際觀測而推論出的暗物質性質幾乎完全吻合。這個「WIMP奇蹟」是數十年來尋找暗物質的主要動力,但是現在有些理論學家提出了質疑。


2008年,當時任職加州大學爾灣分校的馮孝仁(Jonathan Feng)和庫瑪(Jason Kumar)提出超對稱現象可以產生比WIMP輕、作用力更弱的一組假設性粒子。馮孝仁表示:「這些假設性粒子的豐度和現今暗物質相當,但它們卻和WIMP截然不同。這打亂了許多人的計畫,因為它們和暗物質性質吻合的程度與WIMP不相上下,我們稱之為『不需要WIMP的奇蹟』。」


科學家不斷努力追求簡單的WIMP模型,但現在理論基礎卻開始逐漸瓦解,再加上越來越多的偵測器至今一無所獲。馮孝仁等人提議,WIMP或許屬於一個更複雜的物理圖像:宇宙暗藏多種暗粒子,可透過一組暗力交互作用,而暗力可能來自交換暗光子的暗電荷。它們提供理論學家更多調整參數的機會,因此這些「暗區域」模型能符合暗物質觀測日益嚴酷的結果而免遭淘汰,不過這種彈性同樣也使得新模型很難確切證實。


普林斯頓大學的天文物理學家史伯哲(David Spergel)認為:「有了暗區域,科學家幾乎可以發明任何想要的東西。失去WIMP奇蹟的指引之後,我們就像置身碩大的遊樂場,也許是有太多可能的模型供選擇,反倒不曉得該往哪個方向前進。現在我們需要大自然提供更多關於下一步行動的暗示。」


有些物理學家已經斷然放棄WIMP的可行性,在大自然的暗示下轉而尋找其他的可能性。例如,如同鬼魅般的微中子已被證實,並且有三個種類(風味)。雖然這三種微中子的質量都不足以用於解釋暗物質,但微中子具有質量這個事實足以開啟第四種可能性:大質量的惰性微中子。加州大學爾灣分校的物理學家阿巴扎健(Kevork Abazajian)說:「幾乎所有微中子質量產生的機制都需要惰性微中子,因此非常適合利用它來解釋暗物質。」


暗物質的另一個黑馬假設性粒子是軸子(axion)。科學家為了解釋並解決量子作用中出現的神秘不對稱,在1977年首度提出這個作用力微弱的粒子。


如果要利用軸子解釋暗物質,它們的質量必須落在相對狹窄的範圍,並且遠比WIMP來得輕。史丹佛大學的物理學家葛蘭姆(Peter Graham)表示:「如果我們找不到WIMP,理論學家會把賭注押在軸子上。」


除了WIMP和暗區域、惰性微中子和軸子外,還有其他更冷門、更怪異的暗物質候選理論,包括太初黑洞、更高維度或是愛因斯坦的重力理論在某些方面出現錯誤的可能性。


暫不論何種暗物質理論最終將勝出,許多物理學家在處理暗物質這麼困難的問題時,最大的隱憂並不在於這個觀念最終是部份不正確或完全錯誤,因為有壓倒性的觀測證據支持暗物質存在;物理學家反倒擔心暗物質可能和物理學其他主要問題無關,根本無法提供理解大自然真實面貌的新途徑。


麻省理工學院(MIT)的物理學家泰勒(Jesse Thaler)認為:「我們追尋暗物質不只因為要證實其存在,還希望藉由暗物質來解決標準模型其他懸而未決的問題。」泰勒也說:「並不是每一個新發現都能提供新啟示……使得後續所有理論突然契合。有時候,新粒子的發現讓你不禁埋怨『這傢伙到底是從哪裡冒出來的?』在我們居住的宇宙中,每一個新發現是否都能為物理學帶來更深刻、更基礎的洞見?還是即使有部份確實合乎邏輯又條理分明,但是其他部份卻全然不是呢?截至目前為止的最新研究,暗物質可以帶領我們走向任何一種可能性。」


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