未知新粒子X可揭開宇宙暗物質和反物質兩大奧秘(圖)

2010-12-10 20:15

科學家構建的三維暗物質圖

據美國《連線》網報導，暗物質是什麼？為什麼宇宙中物質多於反物質？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「反物質世界」，它的基本屬性同我們周圍的世界正好相反。反物質的原子核是由反質子和反中子構成的「負核」，外有正電子環繞。反物質一旦同「正物質」接觸，便會在瞬間發生爆炸，物質和反物質變為光子或介子，產生「湮滅」現象。英國物理學家狄拉克把量子力學與高速運動所必須的相對論力學相結合導致產生了反物質的概念。宇宙誕生之初，物質和反物質不斷碰撞、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，物質和反物質本應該一樣多，但實際上不是的。相反，物質粒子比反物質粒子略多一些，物理學家稱之為「重子不對稱」。

那麼這種不對稱到底是如何產生的呢？科學家必須要尋找一個合理的物理機制來解釋它。一個包括英屬哥倫比亞大學、加拿大國家實驗研究中心（TRIUMF）、美國布魯克海文國家實驗室等機構在內的科學團隊，給出瞭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之謎和重子不對稱之謎的關鍵。

也許由「X"粒子構成的反物質其本質就是暗物質。我們都知道佔宇宙1/4的暗物質除了引力作用，不與普通物質發生任何其它的作用。同時更重要的是，暗物質主導了宇宙結構的形成。暗物質的本質現在還是個謎，但是如果假設它是一種大質量弱相互作用粒子(Weakly interacting massive particles，簡稱WIMP)的話，那麼由此形成的宇宙大尺度結構與觀測相一致。理論預言這種粒子應該具備這些特點：粒子只通過弱核力和引力產生相互作用，或者粒子的相互作用截面小於弱核力作用截面；與普通粒子相比質量較大。由於它們不參與電磁力作用，因此無法被直接探測到；由於它們不參與強核力作用，因此它們基本上與普通物質不發生相互作用；由於它們較大的質量，因此它們運動的速度相對緩慢，因而能夠成團聚集。根據以上特點，WIMP被認為是最有可能的「冷暗物質」候選者。不過，最近對星系以及亞星系結構的分析顯示，這一假設和觀測結果之間存在著差異。

未知新粒子「X」理論與現有的WIMP理論完全不同。該項目研究人員克里斯•希古爾森等人提出了一種正反」X「粒子對的假設：」X「粒子誕生於物質衰變，反"X"粒子誕生於反物質衰變。他們把這個過程稱為「物質生成論」。按照假設，「X」粒子要麼衰變成一個中子，要麼衰變成兩個假設的未知粒子，我們稱它們為「Y」和「θ」。同時，一個反「X」粒子要麼衰變成一個反中子，要麼衰變成兩個未知的粒子：反「Y」粒子和反「θ」粒子。結果「X"粒子更傾向於衰變為中子而不是未知的兩種粒子。但是這個現象被反」X「粒子抵消了：反」X「粒子更傾向於衰變為未知的兩種反粒子而不是反中子。

理論上，這個新的「X」粒子方案導致了物質和反物質的對稱性，也就是說，在宇宙中，可見原子中的正重子數量，與暗物質擁有的負重子數量是正好相當且達成平衡的，這就將暗物質與原子的結構聯繫起來。而在暗物質與可見物質的重子平衡被「修復」了的情況下，我們見到的宇宙就呈現由原子構成的狀態，且這些原子每一個都攜帶著一個為正的重子，而原子核內皆為帶正電荷的質子和不帶電荷的中子，電荷正好等同於核內質子與中子電荷的全部總數。

此前，通過威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）衛星對宇宙微波背景輻射的探測，已知原子佔宇宙密度的4.6%，暗物質則是23%，是前者原子的5倍。研究人員新給出的「X」粒子方案或將解釋為何這個密度差異會恰好是5倍。這種表述比WIMP模型更精準。

而在此項研究中，科學家同時衍生出了全新方法來檢測暗物質：眾所周知反粒子會與正粒子相遇而湮滅，現在暗物質中的反粒子很可能做出同樣的事來。儘管其發生頻率可能極低，但也催生出了全新的探測方法。在某種程度上物質生成論或者某種相似的大膽的模型將可能代替現有的WIMP模型。