新的研究提示“重的”暗物質會撕裂开我們的宇宙的理解

(2025-03-01 15:31:27)

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杂谈

新的研究提示“重的”暗物質會撕裂开我們的宇宙的理解

By Paul Sutter

published January 26, 2025

Dark Matter

因為我們還沒有发现任何東西，我們已经開始好奇是否暗物質可能比我們想的更輕或更重。

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看不見的暗物質構成宇宙中質量的大部分，遠遠超重我們能看到的物質的量。 (Image credit: Dark matter, R. Caputo et al. 2016; background, Axel Mellinger, Central Michigan University)

新的研究提示暗物質不能太重，否則它可能會破壞我們的最佳的宇宙模型。

我們有丰富的在宇宙中某些可疑的事情正在發生的證據。恆星在星系內太快的环绕。星系在星系團中远太快移動。結構生長和演变也太快。如果我們只算我們能看到的物質，只是沒有足夠的引力來解釋所有這些行為。

大多數宇宙學家相信所有這些現象都能被通過暗物質的存在解釋，暗物質是一種假設形式的物質，它是大質量的，電上中性的幾乎从来不与正常物質相互作用。這種暗物質構成了宇宙中質量的大部分，遠遠超重發光物質的量。

暗物質的身份仍然是一個秘密，因為被设计来探測一种雜散的、罕見碰撞的實驗已经不能折腾任何東西。但這些實驗已经集中在針對一个特定質量範圍：大約 10 到 1000 吉電子伏特（GeV）。（一 GeV 相當於 10 億電子伏特）。這是一个已知最重粒子的範圍，像W 玻色子和頂誇克。幾十年來，理論家們都感兴趣于這個質量範圍，因為粒子物理學標準模型的幾個簡單擴展預測了這種粒子的存在。

不過，因為我們還沒有发现任何東西，我們已经開始来好奇是否暗物質比我們想的更輕或更重。但按照發表在預印本資料庫arXiv上的一篇新論文，更重的暗物質遇到一些嚴重的問題。

問題是暗物質确实有時与正常物質相互作用，如果仅罕见的。但在早期宇宙中，當宇宙远更熱、更密時這些相互作用远更頻繁。最終，隨著宇宙膨脹和冷卻這些相互作用減慢然後停止，導致暗物質“凍結”並在背景中沉默。

雖然有很多很多潛在的暗物質候選模型，但許多模型通過涉及希格斯玻色子的交換与常規粒子相互作用——希格斯玻色子是一種幾乎与所有其他粒子相互作用的基本粒子並通過這些相互作用让這些粒子充滿有質量。

我們知道希格斯玻色子的質量：大約 125 GeV。研究人員發現了這個質量对大多數候選暗物質的可能質量放上一個基本上限。

問題是在物理學中所有交互都是两条路街道。在許多模型中希格斯对暗物質和常規物質谈话，它介導它們之間的相互作用。但這兩種物質也都回谈希格斯。這些相互作用出现為對希格斯玻色子質量的輕微修改。.

對標準模型粒子，我們能計算這些校正和反饋相互作用，這就是理論家在希格斯玻色子被檢測到之前多好預測了希格斯玻色子質量的。

研究人員發現了如果暗物質粒子有一个大於幾千 GeV的質量，它的對希格斯質量的貢獻將是难以置信重要的，驱使它从它的被觀測值偏離。而且因为希格斯对決定許多其他基礎物理學是如此中心的，它基本上一道關閉粒子相互作用。

然而，有繞過此限制的可能性。暗物質可能毕竟不与常規粒子相互作用，或者相互作用可能通過一些不涉及希格斯的异域機制發生。但這些模型是很少的而且遠在之间并需要大量的微調和額外的步驟。