新研究:宇宙初期气泡可能制造了暗物质

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【大纪元2020年11月18日讯】(大纪元记者笛睿编译报导)一项新的研究表明,宇宙诞生初期由高能粒子形成的泡泡,在不断膨胀的过程中,对暗物质的形成起到过滤的作用,导致质量较大的暗物质才能留存到今天的宇宙。这种难以捉摸的物质会拽着恒星,却不会发出光。

研究者认为,这正好解释了为什么长期用非常精密的设备探测“大质量弱相互作用粒子”(WIMPs)却一直没有结果的原因。虽然这种粒子质量是质子的10倍~100倍左右,与普通物质的互动很少而得名,但是这份研究提出,应该寻找比这种粒子更重的暗物质候选粒子。

10月9日发表在《物理评论快报》(The Physical Review Letters)上的研究称,这个理论也能解释为什么暗物质的质量在宇宙中所占的比例如此之高。

暗物质是瑞士天文学家兹威基(Fritz Zwicky)最早在1933年提出的概念,认为宇宙中存在不仅肉眼看不到,用现在先进的仪器也观测不到的一类物质,而且这种物质在宇宙中所占的比例相当大。现在主流的模型都认为,宇宙中高达80%的物质都是暗物质。

可是这套理论发展到这里一直还没有见到突破性的进展。科学家提出了很多暗物质的候选粒子,建造了很多高敏感度的仪器,至今没有探测到任何暗物质的粒子。

这份研究的主要作者之一美国莱斯大学(Rice University)物理学家安德鲁·朗(Andrew Long)说:“虽然几十年来我们都认为宇宙中暗物质所占的比例,可是对于它的特性和来源都不清楚。暗物质是一种(构成物质的)基础粒子吗?如果是,那么它的质量和自旋情况怎样?它们与其它粒子的作用力如何?它们又是在宇宙演化的哪个阶段形成的呢?”

这个研究组提出的理论,得从宇宙大爆炸初期一个非常短暂的时间内发生的事情说起。

这个理论认为,大爆炸刚发生的初期在还不到几分之一秒的瞬间,宇宙就像一锅由高能基础粒子构成的滚烫的浓汤,在这种环境下,根本无法形成现在人们看到的如质子和中子这类“有序”的粒子,只有混沌的高能等离子。

这个时期相当的短暂,很快,宇宙开始膨胀,粒子逐渐冷却,不再产生新粒子。与此同时,粒子之间间隔越来越远,粒子间撞击的概率骤降,直到粒子达到一个固定的数量。这些剩下的粒子就演化成我们今天认识的各种基础粒子,像原子、恒星以及人类。

这份研究称,“有理由相信,还有一些粒子也从那个时期延续至今,可是我们还不了解,比如暗物质。”

具体来说,研究人员认为在那样几分之一秒的瞬间,高能粒子经历了类似开水里面气泡变成蒸汽,或是蒸汽冷凝成水滴这样的状态的变化。

在这种情形下,冷却的高能粒子在“浓汤”中突然地形成泡泡。这些泡泡不断扩张、合并,直到宇宙进入新的演化阶段。

“随着这些液滴扩大到整个宇宙范围,它们起到像过滤网一样的作用,把暗物质从高能粒子中过滤出来。”安德鲁·朗说:“这样一来,我们今天宇宙中测到的暗物质的量,就是大爆炸之后几分之一秒时间里这种过滤效果的直接体现。”

这些气泡壁将变成隔层,只有大质量的暗物质粒子才有足够的能量穿过这个隔层,抵达扩张泡泡的另一端,在质量小一些的粒子不断湮灭的纷乱之中逃离。

这份研究提出,正因为如此,低质量的暗物质被过滤掉了,所以今天宇宙中暗物质的质量才会如此庞大。

合作研究者德国美因茨大学(Johannes Gutenberg University of Mainz)的科普(Joachim Kopp)说:“这个理论令人兴奋的一点是,它提到的暗物质比很多候选粒子,比如知名的WIMPs质量大很多,前几年,科学家一直聚焦研究这种粒子。所以,我们的研究鼓励寻找更重的候选粒子。”◇#

责任编辑:叶紫微

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