暗物质可能是一个来自额外维度的宇宙遗迹

By Robert Lea 

2022/4/10

  大质量引力子可能已经在大爆炸后万亿分之一秒形成，丰富的大到足解释暗物质。

来自美国自然历史博物馆的海登天文馆（Hayden Planetarium）太空展《黑暗宇宙》的特色图片突出一个无处不在的暗物质怎样可能已经作祟我们的宇宙的例子。在这个来自详细计算机仿真的框架中，以黑色显示的暗物质的复杂细丝像蜘蛛网一样散落在宇宙中，而相对罕见的熟悉的重子物质团块被染成橙色。这些仿真被与天文观测很好的统计匹配。在也许是一个更可怕的事件转折中，暗物质------尽管非常奇怪并且以一种未知的形式------不再被认为是宇宙中最奇怪的引力来源。这种荣誉现在落在暗能量上，暗能量是一种更均匀的排斥引力来源，现在似乎主导着整个宇宙的膨胀。（图片来源：Illustration Credit &  (KIPAC, SLAC), AMNH)

暗物质是占宇宙质量大部分的难以捉摸的物质，可能由称为引力子的大质量粒子组成，这些粒子在大爆炸后的第一个时刻首次蹦入存在。一种新的理论提出这些假设的粒子可能是来自额外维度的宇宙难民。 

研究人员的计算暗示这些粒子可能已经被创造量恰到好处来解释暗物质，暗物质只能通过它的在普通物质上的引力被“看到”。 该研究的共同作者法国里昂大学的物理学家夹克莫撒西亚帕歌莉娅告诉生活过科学杂志（Live Science），“大质量引力子被在早期宇宙中普通粒子的碰撞产生。这个过程据信对大质量引力子是暗物质候选太罕见“。

但在二月份发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上的一项新研究中，撒西亚帕歌莉娅与高丽大学物理学家蔡海英（Haiying Cai）和李盛（Seung J. Lee）一起发现了足够的这些引力子会已经被在早期宇宙中制造来解释我们目前在宇宙中检测到的所有暗物质。

研究发现，如果引力子存在它们有一个小于1兆电子伏特（MeV）的质量，因此不超过一个电子质量的两倍。这个质量水平远低于其中希格斯玻色子为普通物质产生质量的尺度------这是这个模型来产生足够多的它们来解释宇宙中所有暗物质的关键。（相比之下，按照美国国家标准与技术研究院，已知最轻的粒子中微子的重量不到2电子伏特，而一个质子的重量约为940 MeV。)

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该团队在狩猎额外维度的证据时发现了这些假设的引力子，一些物理学家怀疑这与观察到的三个空间的维度和第四维度时间一起存在。

 宇宙会有比我们意识到的更多维度吗？(Image credit: Getty Images)

在该团队的理论中，当引力通过额外维度传播时，它在我们的宇宙中作为大质量引力子物质化。

但这些粒子只会与普通物质弱相互作用，并且只经由引力作用。这种描述与我们知道关于暗物质的诡异的相似，暗物质不与光相互作用但有一个宇宙中到处的引力影响。例如，这种引力影响是阻止星系飞散开的原因。

撒西亚帕歌莉娅说，“大质量引力子作为暗物质粒子的主要优点是它们只能引力上相互作用，因此它们能逃避来探测它们存在的尝试”。

相比之下，其他提出的暗物质候选------例如弱相互作用大质量粒子、轴子和中微子------也可能通过它们的与其他力和场的非常微妙的相互作用感受。

大质量引力子几乎不会经由引力与宇宙中的其他粒子和力相互作用的事实提供另一个优势。

撒西亚帕歌莉娅说，“由于它们的非常微弱的相互作用，它们衰变得如此缓慢以至于它们在宇宙的一生中仍然稳定的。出于同样的原因，它们被在宇宙膨胀期间缓慢的产生并在那里积累直到今天”。

过去，物理学家认为引力子不太可能是暗物质的候选，因为创造引力子的过程是极端的罕见。因此，引力子会被比其他粒子远更低的速率创造。

最早的恆星和星系被在大爆炸後的頭幾億年形成，這裡显示了這幅宇宙演化的描画。. (Image credit:

但研究小组发现了在大爆炸后的皮秒（一秒的万亿分之一）中，更多的这些引力子比过去的理论提出的已经被创造。研究发现了这种增强足以使大质量引力子来完全的解释我们在宇宙中检测到的暗物质的量。

撒西亚帕歌莉娅说，“这种增强来的确实令人震惊，我们必须进行许多检查来确保结果是正确的，因为它造成一个我们考虑大质量引力子为潜在暗物质候选的方式中一个范式转变”。

因为大质量引力子是在希格斯玻色子的能量尺度下形成，它们被从相关到更高能量尺度的不确定性解脱，而目前的粒子物理学并没有很好地描述。.

该团队的理论将大型强子对撞机等粒子加速器研究的物理学与引力物理学联系起来。这意味着强大的粒子加速器如欧洲核子研究中心的未来应该会在2035年开始运行圆形对撞机可以狩猎这些潜在暗物质粒子的证据。

撒西亚帕歌莉娅说，“也许我们有的最好镜头是未来的高精度粒子对撞机，这是某些我们目前正在调查的东西”。

最初发表于Live Science。 

https://www.livescience.com/dark-matter-particles-from-extra-dimensions