暗物质到底存在不存在?
2021-04-19 10:27

暗物质到底存在不存在?

本文来自微信公众号:果壳(ID:Guokr42),作者:子乾(中科院高能所博士),编辑:朱步冲,原文标题:《来无影去无踪的暗物质终于现身?物理学家大呼“万万没想到”》,头图来自:《第三类接触》


近日,美国费米国家实验室公布了最新缪子(μ子)磁矩的测量结果,这立马引起了物理学界的广泛关注,我们对宇宙构成的认知,可能因此而发生变化!


费米实验室中巨大的超导磁铁存储环,粒子加速器产生的缪子束流进入储存环后,探测器即开始记录其运动状况 | fnal.gov


为什么这样说呢?因为追寻构成世界的基本元素,是科学史上最为悠久的问题之一。中国古人有云,一尺之棰,日取其半,万世不竭。而古希腊哲学家则认识到物质由基本的元素构成,甚至已经提出了“原子”的概念。


当然,这些都是古人对于世界最原始的朴素认知,但对于探索宇宙的成分、物质的构成,人类从没有停止过。


粒子标准模型:一部物理学界的物种百科


经过众多科学先驱的努力,人们终于认识到,宏观的物质是由微观粒子构成的,很多微观粒子是由更小的粒子构成的,若粒子无法被分解,那么我们就称之为基本粒子,这样的一门学科叫做粒子物理(也叫高能物理)


一台上世纪60年代的范德格拉夫式静电场粒子加速器 | wikipedia.org


上个世纪是粒子物理的黄金时期,通过研究宇宙射线、建造粒子对撞机等,人们对物质的认知不断深入。从原子到电子、原子核,从质子中子再到胶子、夸克,人们发现了大量的新粒子,又不断地分解这些粒子,就像集邮一样,物理学家们甚至还为粒子的命名权而明争暗斗。


比如1974年,丁肇中与另一位物理学家伯顿·里克特同时发现了一个新粒子,丁肇中想称之为“J”粒子,而里克特则选用了希腊字母“ψ”,后来科学界干脆就把这个新粒子叫做“J/ψ”粒子。


丁肇中与里克特,这次新粒子命名之争也成为现代物理学历史上一段知名公案 |Sandbox Studio, Chicago


除了基本粒子,人们对粒子之间的相互作用力也有了新的发现,除了万有引力和电磁力外,基本粒子之间还存在弱相互作用力以及强相互作用力。


随着发现的粒子越来越多,而且五花八门,粒子之间的关系也繁琐复杂。正如门捷列夫建立元素周期表一样,人们隐约觉得,如此繁多粒子的背后,也应该有一个相似的“粒子周期表”。在这个思想指导下,标准模型横空出世!标准模型就像是粒子物理学家的圣经一样,对微观世界的研究,都要接受它的指导。


如果仅仅能解释已知的现象,那也难服众人。2013年,欧洲核子中心的大型强子对撞机发现了一个新粒子,这个粒子完全是标准模型预言的粒子,也就是大名鼎鼎的希格斯粒子。这一战,标准模型就此封神!


粒子物理标准模型 | 作者供图


正所谓否极泰来,物极必反。标准模型变得完美的时候,也恰恰是其不完美开始显现的时候。时间长了,人们也慢慢地发现,标准模型似乎也不是那么“标准”。比如说,标准模型“规定”,基本粒子之一的中微子不能有质量,要以光速在宇宙中穿梭,然后实验测量发现,中微子耍了一点小滑头,它以非常接近光速的速度运动,而且有非常小的质量,不仔细看,还真发现不了这一点!这种结果让人们很不爽,如此完美的标准模型竟然不完美,但人们又无可奈何,只能接受这一点。


有人看到了危机,有人却能看到机遇!这或许是破旧立新的机会,虽然标准模型还没多旧。当不可战胜的神流血之后,就会有越来越多的挑战者!而这一次费米国家实验室实验的内容,是测试缪子磁矩。缪子,也是标准模型中的基本粒子之一,它是我们熟知的另一个基本粒子——电子——的二哥,除了比电子重200多倍,其它没有什么区别。


缪子(μ 子)与电子的关系 | Jorge Cham,physics.aps.org


什么是磁矩呢? 大家中学物理课可能学过,作用力促使物体绕着转动轴或支点转动的趋向,称为力矩。那么缪子的运动模式,是像陀螺一样飞速绕着中心轴旋转,这种自转运动形成了沿着缪子自转轴排列的磁场。这个围绕缪子产生的磁场力矩,就被称为磁矩。


费米实验室的科学家在观察缪子磁矩的时候,发现一个有趣现象:那就是看似空无一物的真空,实则暗流涌动,风云四起!一个静止的缪子,会在周围的真空中激发出正反粒子对,这些粒子对从真空中涌现,又在瞬间消失的无影无踪, ,如同奇幻电影里的小精灵,突然出现又突然消失。这些小精灵一样的神秘粒子,虽然没法被直接观察到,但却对缪子的磁矩产生可观的影响。


在费米实验室本次实验中,缪子身边出现了无数神秘粒子 |  | Jorge Cham,physics.aps.org


如果把缪子看作一个小陀螺,那么它在自转时,由于磁场的存在,也不是笔直地按照中心轴稳定旋转,而会出现中心轴“扭来扭去”的现象。也就是说,那些神秘的小精灵一样的粒子,似乎有一种无法看到的力量,让这只小陀螺在自转中,扭动的“姿势”和预测中的不一样。


虚粒子——打开新物理大门的小精灵


其实,在之前的物理学研究中,科学家也注意到了这些神秘的小精灵,由于来无影去无踪,干脆就把这些粒子叫做“虚粒子”!著名物理学家施温格在1947年最先计算了虚粒子对电子的影响,这在当时是巨大的理论进步,以至于他去世之后,墓碑上都镌刻了这个结果。


通过影响缪子磁矩,虚粒子证明了自己的存在| Jorge Cham,physics.aps.org


虽然有一个“虚”字,但是虚粒子的影响却是实实在在的。因此理论计算的时候,就要把所有已知的粒子都考虑进去,这是非常繁琐的事情,虚粒子瞬息万变,想抓住它并不容易,甚至使用了超级计算机进行计算。然而,迎接理论物理学家的并不是胜利的号角,实验物理学家经过多年的努力,发现事情并没有这么简单。电子磁矩的理论计算与实验结果,在小数点后11位还能保持相同,理论与实验呈现高度的一致性,标准模型不愧为粒子物理学的圣经!这也是物理学中最精确的结果,没有之一!


然而,当人们把目光转向缪子的时候,预期的完美结果并没有出现,理论计算与实验测量总是差一点点,这一点点的差距在20年前就被发现,经过了20年的努力,这一差距并没有缩小,反而越发坚固!


与理论不同,实验测量的是最真实的宇宙,宇宙并不会因为一个粒子不在标准模型里就歧视之,天地不仁,以万物为刍狗,所有粒子都被一视同仁地参与缪子磁矩。


当实验结果与理论计算结果不一致时,机遇就再次展现出来!标准模型不完美的呼声也越来越高了,宇宙中很有可能还有新的没有被发现的粒子,这些粒子不在标准模型之内,因此理论计算自然没有包含它们的贡献,理论与实验有差距也就很容易理解了。


夜幕降临,抬头望向夜空,繁星点点。我们看见的,真的就是整个宇宙吗?有时候眼睛往往会蒙蔽真相。上个世纪,天文学家的观测彻底颠覆了人们对于宇宙的认知,普通可见物质只占到了宇宙总成分的5%!除此之外,宇宙中还有26%的不可见物质,也就是大家常说的暗物质。暗物质是普通物质的五倍还多!当然,还有69%的暗能量,不过那是另外一个故事,此处不予多说。


就像普通物质是由各种基本粒子构成的一样,人们也自然地相信暗物质也会是由某种基本的粒子构成,那么构成暗物质的基本粒子到底是什么呢?探索宇宙的道路不会一帆风顺,至少在这一步,人们已经举步维艰很久了。人们上天入地,想找到暗物质粒子的踪迹,但是遗憾的是,到目前为止,暗物质粒子的影子都没有发现。


因此,缪子磁矩就像是一针强心剂,人们觉得好像又行了!大家很自然地联想到暗物质,也会自然地想,这两者有相同的内在机制。这个结果,给暗物质研究、宇宙构成与演化问题带来了新的机遇,毕竟暗物质在宇宙中的占有量是普通可见物质的五倍!


当然,这些听起来很振奋人心,但是物理学家对于一个结果总是会慎之又慎!实际上,目前的实验结果并不被认为是一个确定的发现,因为这样的好结果有可能是因为统计数据不够,数据误差过大导致的,这样的可能,目前有四万分之一的概率。一般来说,只有这个概率小于千万分之三,才会认为是真的发现了新的现象!


虽然如此,目前的结果也足够令人振奋人心。费米实验室将在未来几年内继续测量缪子磁矩,收集更多的数据,相信那时候我们会有一个更坚实的结果。回想彼时,十九世纪初,开尔文勋爵演讲中的“两朵乌云”,直接带来了相对论与量子力学这两个重量级的物理学革命,我们对宇宙的认知也发生了翻天覆地的变化。


再看此时,或许我们也处于相似的境地,一个小小的缪子,或许就是通向未来新物理的起点也说不定呢!


本文来自微信公众号:果壳(ID:Guokr42),作者:子乾

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