圖片說(shuō)明:暗物質(zhì)是由一種'隱形'介子構(gòu)成，也是一種由夸克和反夸克(構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子)組成的粒子。圖片來(lái)源：MichaelTaylor/Shutterstock.com
1915年，愛(ài)因斯坦根據(jù)相對(duì)論得出推論：宇宙的形狀取決于宇宙質(zhì)量的多少。但是，迄今可觀測(cè)到的宇宙密度卻只是預(yù)期值的1/100。也就是說(shuō)，宇宙中的大多數(shù)物質(zhì)都“失蹤”了，科學(xué)家將這種“失蹤”的物質(zhì)叫做“暗物質(zhì)”（Dark Matter）。暗物質(zhì)是一種比電子和光子還要小的物質(zhì)，是宇宙的重要組成部分。宇宙學(xué)家認(rèn)為宇宙中大約85%的物質(zhì)都由暗物質(zhì)組成，但是人類可見(jiàn)的暗物質(zhì)僅占宇宙總物質(zhì)量的約5%。
暗物質(zhì)與宇宙中其他物質(zhì)一樣，都是以重力的形式存在于宇宙之中。由于暗物質(zhì)不帶電荷，不產(chǎn)生電磁反應(yīng)（人們能夠站在地上的原因是因?yàn)槟_上的原子與地面的原子互相排斥），因此如果將暗物質(zhì)倒進(jìn)桶中,它便會(huì)從桶底穿過(guò)。此外，暗物質(zhì)也不反射或吸收光，這也是人們不能看見(jiàn)它們的原因之一。雖然暗物質(zhì)無(wú)法被直接觀測(cè)到，但是它能干擾星體發(fā)出的光波或引力，因此科學(xué)家們可以通過(guò)觀測(cè)星系的旋轉(zhuǎn)變化探測(cè)到它們的存在。后來(lái)，科學(xué)家們利用引力透鏡效應(yīng)（光線在重力場(chǎng)中發(fā)生彎曲而形成多個(gè)圖像，類似凸透鏡的匯聚效應(yīng)）對(duì)暗物質(zhì)的引力進(jìn)行探測(cè)，發(fā)現(xiàn)宇宙中存在著數(shù)量龐大的暗物質(zhì)，由此構(gòu)成了規(guī)模巨大的隱形星系團(tuán)。
關(guān)于暗物質(zhì)的種種假設(shè)
20世紀(jì)30年代，荷蘭科學(xué)家Jan Oort與瑞士天文學(xué)家Fritz Zwicky等人首次推斷暗物質(zhì)存在于宇宙之中。長(zhǎng)久以來(lái)，科學(xué)家們對(duì)于暗物質(zhì)的構(gòu)成進(jìn)行了種種假設(shè)。大多數(shù)理論認(rèn)為暗物質(zhì)是由弱作用重粒子（weak interacting massive particle，WIMP)構(gòu)成，這些粒子之間的相互作用非常弱，因此它們?cè)诒舜酥g穿梭的過(guò)程中僅會(huì)發(fā)生輕微的接觸。還有一些理論則認(rèn)為,暗物質(zhì)是由一種非常輕的中性粒子——軸子構(gòu)成。軸子是在地球?qū)嶒?yàn)室中尚未探測(cè)到的一種假想基本粒子，由于軸子間的相互作用也極其微弱，從而無(wú)法處于熱平衡狀態(tài)，但是利用它可以解決一些關(guān)于粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的未知問(wèn)題。
根據(jù)最新的一項(xiàng)研究，科學(xué)家們推測(cè)，暗物質(zhì)可能由“隱形”介子構(gòu)成。介子是一種由夸克和反夸克組成的粒子，中性介子穿梭在質(zhì)子和中子之間，然后與兩者結(jié)合共同形成原子核。該項(xiàng)研究的主要研究人員Yonit Hochberg指出，“隱形”介子是一種強(qiáng)作用重粒子（strongly interacting massive particle， SIMP），相互之間能夠產(chǎn)生很強(qiáng)的作用力。當(dāng)粒子相互接觸時(shí),其中一部分粒子會(huì)湮滅成正常物質(zhì)。而為了湮滅成正常物質(zhì)，粒子必須以“3變2”的模式進(jìn)行碰撞，即3個(gè)暗物質(zhì)粒子進(jìn)行碰撞，形成2個(gè)正常介子。一些暗物質(zhì)（如夸克）在進(jìn)行相互碰撞之后會(huì)形成正常物質(zhì)，而剩余的一部分暗物質(zhì)則仍然殘留于物質(zhì)世界中。
這種新的理論說(shuō)明，在早期的宇宙世界中，介子會(huì)發(fā)生碰撞，使暗物質(zhì)數(shù)量減少。然而隨著宇宙的膨脹，粒子間的相互作用力變?nèi)?，碰撞幾率也越?lái)越小。粒子間的相互作用在本質(zhì)上與帶電介子具有一定的相似性。帶電介子由一個(gè)上夸克和反下夸克粒子（夸克有六種類型：上夸克、下夸克、頂夸克、底夸克、粲夸克、奇夸克）構(gòu)成，也可能由一個(gè)下夸克和反上夸克構(gòu)成，而中性介子由一個(gè)上夸克和反上夸克構(gòu)成，或者由一個(gè)下夸克和反下夸克構(gòu)成。
暗物質(zhì)介子與矮星系
加州大學(xué)伯克利分校的物理學(xué)教授Hitoshi Murayama指出，新的假設(shè)將有助于科學(xué)家們進(jìn)一步研究某些矮星系的密度。然而，伊利諾伊州費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室（Fermi National Accelerator Laboratory）的科學(xué)家Dan Hooper則認(rèn)為，目前人類已經(jīng)可以通過(guò)氣體加熱來(lái)測(cè)量矮星系的密度，因此利用暗物質(zhì)來(lái)解決矮星系難題完全沒(méi)有必要。
一部分科學(xué)家認(rèn)為，奇異的新“暗介子”屬于暗物質(zhì)；而另一部分科學(xué)家則認(rèn)為，“暗介子”是不同于暗物質(zhì)的其他物質(zhì)。至于哪一種觀點(diǎn)正確，也許只有大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)能夠判斷。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)通過(guò)將原子核（通常是氫，有時(shí)也是質(zhì)量更重的元素鉛）以接近光速的速度進(jìn)行加速對(duì)撞，從而在產(chǎn)生巨大能量的同時(shí)散射出新的粒子。
美國(guó)康奈爾大學(xué)（Cornell University）的博士后研究員Kuflik 指出，如果粒子在碰撞的過(guò)程中有部分質(zhì)能神秘地“消失”了，那么這很可能就是尋找暗物質(zhì)的突破點(diǎn)。由于物質(zhì)世界中的質(zhì)量和能量是守恒的，如果粒子碰撞后產(chǎn)生的質(zhì)量和能量與碰撞前有所不同，那么這就意味著很有可能某個(gè)未知的粒子沒(méi)有被檢測(cè)到。
除了大型強(qiáng)子對(duì)撞擊，科學(xué)家們還可以利用由液態(tài)氙（xiān）或鍺（zhě）制成的探測(cè)器來(lái)追蹤暗物質(zhì)粒子。在探測(cè)器運(yùn)行過(guò)程中，電子在通過(guò)暗物質(zhì)粒子時(shí)有可能會(huì)被原子擊中。然而盡管如此，美國(guó)南達(dá)科塔州（South Dakota）的大型地下氙探測(cè)器實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（Large Underground Xenon，LUX)已經(jīng)展示出了其粒子探測(cè)的巨大潛力。盡管目前該項(xiàng)目在探測(cè)暗物質(zhì)粒子方面還沒(méi)有任何進(jìn)展（其主要對(duì)象是弱作用大質(zhì)量粒子），但是在接下來(lái)的探測(cè)活動(dòng)中它也許能夠?yàn)樘綔y(cè)暗物質(zhì)粒子做出重大貢獻(xiàn)。（科學(xué)之家，譯審/編輯：AJ Chen）
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