暗物质粒子是什么

深蓝色的畅想

暗物质粒子是什么？这是萦绕在所有理论物理学家心中的疑团。物理学家相继提出了轴子、WIMP粒子等暗物质候选粒子，也试图通过天上地下的多个实验寻找暗物质，但它们仍然未见踪影。相比于这些微观世界中的候选粒子，希腊理论物理学家Asimina Arvanitaki提出的暗物质理论足够大胆。在她看来，形成于黑洞超辐射的暗物质粒子，足足有一颗行星那么大！这个与众不同的假说，是怎样提出的？

　　特立独行

　　“起初，我们也觉得这很荒谬。” 在加拿大圆周理论物理研究所的办公室中，Asimina Arvanitak这样说道。天文学家推测，宇宙中存在看不见的暗物质，它们为星系聚在一起提供引力。对于Arvanitak的想法——黑洞产生的行星大小的漩涡状粒子云就是暗物质，我们一点都不惊讶。

　　这可是Arvanitaki的专长，她是第一位在圆周理论物理研究所获得教授职称的女性。她喜欢把被忽视的想法（不管它们听起来多么遥不可及）拿出来，然后设计出巧妙、便宜的实验来检验它们。

　　Arvanitaki的专业能力，再加上她异乎寻常的工作风格，让她在这一领域别具一格。“我很容易感到无聊，”她说，“我想看看特别的东西。否则，还有什么意义呢？”

　　Arvanitaki喜欢太空，也喜欢汽车，但她不得不在上高中时，在工程学和物理学之间作出选择。“我知道，我更感兴趣的是事情为什么会发生，而不是如何发生。”

　　如今，她的目标是发现一些真正有意思的东西。粒子物理学的标准模型方程不仅描述了已知的所有粒子，还包括了这些粒子通过除了引力外的另外三种力如何相互作用。尽管这已经足够伟大了，但仍然远非完美：它没有提到引力，也没有提到暗物质，而且也不能解释引力为什么如此微弱，比如你每拿起一杯水就相当于克服了整个星球的引力。

　　这些谜团的线索本应来自于物理学的旗舰实验——坐落于瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机（LHC）。许多业内人士都在期盼，大型强子对撞机能找到超对称粒子。超对称理论为每一个已知粒子引入了一个超重同伴，这或许可以解释暗物质的存在。但许多人对此表示怀疑，还有一些人则提议建造更大的对撞机。

　　“作为年轻人，我们多少知道，很多方法都已经尝试过了。我们不想只研究别人已经研究过的东西。”于是，当时在斯坦福大学读研究生的Arvanitaki开始将目光投向那些不可能在对撞机中出现的东西。

　　黑洞旁的轴子

　　她被“轴子”（axion）所吸引。轴子是20世纪70年代提出的一种假想粒子，如果能证明轴子的存在，将破解粒子物理学领域的一个未解之谜——强相互作用的电荷-宇称问题。轴子非常轻，不带电荷，是暗物质的可能候选者。但问题是，轴子几乎不与宇宙间任何物质发生相互作用，所以它们永远不会出现在大型强子对撞机上。这可能是轴子失宠的原因之一。

　　2010年，为了复活轴子理论，Arvanitaki和同事引入了弦论。弦论提出了十维空间（虽然还有待检验），除了现实世界中的四维，其余六维必须足够紧致，否则我们就能探测到它们了。根据Arvanitaki的观点，正是这种丰富的超维度结构产生了各种超轻轴子——她称之为“string axiverse”。

　　行星大小的粒子云，正是基于这一猜想。当Arvanitaki写出“axiverse”的字符时，一位同事问她是否听说过黑洞超辐射。Arvanitaki没听过。但是，在花了一年时间思考后，她开始意识到，如果轴子确实存在，黑洞超辐射可能会让我们发现轴子。

　　超辐射是一种在某些类型的激光中倍增光子的完备过程，同样适用于天体物理尺度。如果你有一个光子（根据量子力学，同时也是一种波），你向旋转的黑洞发射它，它会从黑洞中提取能量和角动量。换句话说，黑洞会给光子一个力。现在，如果你进行同样的操作，但是把无静止质量的光子换成有质量、带引力的粒子，比如轴子，情况就不一样了。

　　“轴子波从旋转的黑洞散射，由于黑洞的引力，随后又反弹回来，如此往复。黑洞会不断将一些能量加给它们，最终轴子呈指数增强。”Arvanitaki说。黑洞超辐射会产生一团由轴子构成的巨大粒子云，这些轴子将以有序的方式排列，她补充说，“这很像原子轨道的形态，只是规模更大”。

黑洞超辐射形成粒子云的过程黑洞超辐射形成粒子云的过程




　　问题是，为了制造这些所谓的“黑洞原子”，轴子的波长必须与黑洞的直径一样。波长与质量成反比，但轴子偏偏属于质量超轻的粒子。“我们倾向于认为粒子很小，但理论上讲，它们没有理由不可以像星系一样大，”Arvanitaki说。

　　对少数人来说，这并不陌生。Arvanitaki与同事最近发现，轴子云可见于引力波的信号中。在这种情况下，不需要黑洞相互碰撞，云团内轴子之间的碰撞湮灭会产生引力子——构成引力波的粒子。轴子和黑洞的结合，戏剧性地产生了Arvanitaki所描述的在各个方向都闪耀着的“引力信号”。Arvanitaki希望从引力波信号中找到这样特征性的信号。为此，她一直与LIGO的研究人员合作，准备探测器的第三次运行。这次运行在今年4月开始后，立即检测到了引力波。预计每隔几周，研究团队就会继续发现引力波信号。她将从这些信号中，继续寻找暗物质的线索。