漫談暗物質(zhì)來(lái)源

1、漫談暗物質(zhì) 來(lái)源：霍然的日志最近隨著四川錦屏山地下暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室揭牌并投入使用，暗物質(zhì)這個(gè)名詞走進(jìn)了公眾的視 野。什么是暗物質(zhì)？作為一個(gè)學(xué)暗物質(zhì)的研究生，在這里試著介紹一下。水平不夠的話請(qǐng)多包涵?？赡艽蠹沂紫榷疾幻靼椎氖窃趺粗屯蝗幻俺鰜?lái)了個(gè)看不見的東西，究竟是怎么個(gè)看不見 法。這里讓我們先做最初步的假設(shè)，我們承認(rèn)存在了不少現(xiàn)在看不見的東西并把它叫做暗物質(zhì)，比宇宙中能看見的還多了幾倍，那么它會(huì)不會(huì)是下面這些東西呢？行星相對(duì)于恒星來(lái)說(shuō)，行星質(zhì)量太小。太陽(yáng)系最大的木星的質(zhì)量，僅僅是太陽(yáng)的不到千分之一。要是由不發(fā)光的行星構(gòu)成宇宙中缺少的質(zhì)量，而行星平均質(zhì)量算太陽(yáng)的千分之一的話，那就要有大概比恒星多一萬(wàn)

2、倍的行星，太陽(yáng)周圍就期望會(huì)有一萬(wàn)個(gè)木星。而且行星并不是數(shù)量上比恒星要多得多，這拿太陽(yáng)系的大行星做例子就能看得出來(lái)。如果一顆行星是像我們地球一樣的 類地行星”，那質(zhì)量就更小了。因?yàn)樗饕芍卦貥?gòu)成，重元素在宇宙中終究是稀少 的。所以尋找宇宙中不發(fā)光的物質(zhì)，行星是可以忽略的。褐矮星褐矮星其實(shí)是和行星中的 類木行星”接近的，僅僅是質(zhì)量大得多。它也是主要由氫元素構(gòu)成 的，如果質(zhì)量再大一些的話，就可以像太陽(yáng)一樣發(fā)生熱核反應(yīng)而發(fā)光了；但是因?yàn)樗馁|(zhì)量不夠大，所以收縮時(shí)中心溫度沒有那么高，最后核反應(yīng)就沒有點(diǎn)燃。所以它是不發(fā)光的。天體物理上的能不能發(fā)光的分界線大概在8%的太陽(yáng)質(zhì)量上，褐矮星是沒到8%的太陽(yáng)質(zhì)

3、量的天體。褐矮星是否能構(gòu)成暗物質(zhì)的主要成份，也是取決于它的數(shù)量，因?yàn)樗鼏蝹€(gè)的質(zhì)量也不大。從目前的褐矮星表 /zh-cn/%E6%A3%95%E7%9F%AE%E6%98%9 F%E5%88%97%E8%A1%A8 來(lái)看，在太陽(yáng)附近，褐矮星的數(shù)密度并沒有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出發(fā)光的 恒星。所以應(yīng)該也是不夠的。白矮星、中子星這個(gè)可能性算是比較難以排除的。 白矮星是中小質(zhì)量恒星演化晚期， 核燃料耗盡之后，僅僅 由電子氣體的簡(jiǎn)并壓維持的星體； 中子星則是提供簡(jiǎn)并壓的由電子換成了中子。簡(jiǎn)并壓，其實(shí)大家恐怕都學(xué)過(guò)類似的概念， 就是高中化學(xué)的核外電子排布的泡利不相容原理，完全相

4、同的一個(gè)軌道上電子不能排兩個(gè)。白矮星，中子星都是特大號(hào)的原子核就對(duì)了。白矮星、中子星作為晚期的恒星，并非完全不發(fā)光，因?yàn)樗婚_始是熱的，而且是相當(dāng)熱的。 但是目前理論上來(lái)說(shuō)， 如果沒有互相碰撞或者吸積其他物質(zhì)的話，這兩種天體都是一直穩(wěn)定的。它們像灰燼一樣通過(guò)發(fā)光來(lái)降溫，早晚會(huì)有降溫到事實(shí)上看不見的那一天。如果宇宙中充斥著這樣的天體，那是不是可能呢？這涉及到一個(gè)冷卻時(shí)間的問題。wiki上面對(duì)這個(gè)問題的回答直接就是，因?yàn)橛钪婺挲g有限約137億年（其實(shí)計(jì)算宇宙的年齡也依賴于目前關(guān)于暗物質(zhì)的學(xué)術(shù)界標(biāo)準(zhǔn)的假設(shè)，但是這種循環(huán)論證其實(shí)害處并不大），所以最老的白矮星現(xiàn)在也還沒冷卻到溫度低得完全看不見的程度。讓

5、我們仔細(xì)分析下， 假設(shè)這顆星是在宇宙很早期產(chǎn)生的， 要處于白矮星的時(shí)間長(zhǎng)， 就要在這 之前的普通恒星狀態(tài)時(shí)間盡量的短。 但是白矮星有理論的質(zhì)量上限 錢德拉塞卡極限， 這 對(duì)應(yīng)于其前身的普通恒星有壽命的下限，不能短于幾十億年，因?yàn)楹阈琴|(zhì)量越大， 其壽命越 短。總起來(lái)說(shuō)，沒有足夠的時(shí)間給白矮星冷卻到看不見。黑洞這大概是公眾最感興趣的天體了?，F(xiàn)在黑洞已經(jīng)不再是純天體的概念，因?yàn)槊襟w經(jīng)常說(shuō)， 大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（Large Hadron Collider簡(jiǎn)稱LHC）就有可能撞出黑洞來(lái)。但是天體物理上的黑洞，其實(shí)反而是相當(dāng)容易識(shí)別的，在這個(gè)意義上，它一點(diǎn)也不是黑得讓我們不知道它的存在。識(shí)別的手段就是看黑洞吸

6、積。黑洞的視界內(nèi)的光是沒法發(fā)出來(lái)的，但是外面的帶電粒子掉到黑洞里面去的時(shí)候，那個(gè)加速下落的過(guò)程在黑洞視界外，是可以發(fā)光讓我們看到的。準(zhǔn)確的說(shuō)是發(fā)出X射線。如果是孤立的黑洞，離周圍的天體都很遠(yuǎn)，那么要吸也沒的可吸。上面提到白矮星中子星也 有吸積的問題，不過(guò)它們能吸積的范圍就小了。但是因?yàn)楹诙吹囊軓?qiáng)，所以能吸的范圍很大，很大范圍內(nèi)的星系中的氣體都會(huì)被吸引過(guò)來(lái)的。一般認(rèn)為，不會(huì)有那么多黑洞存在吸積的死角中，因此我們探測(cè)不到的。所以黑洞的數(shù)量也不是多到了足以解釋暗物質(zhì)的地步。以上的論證都是很粗糙的。上面說(shuō)的行星、褐矮星、白矮星、中子星、黑洞作為暗物質(zhì)的候 選，學(xué)術(shù)界統(tǒng)稱為 暈族大質(zhì)量致密天體 ”（

7、MAssive Compact Halo Objects簡(jiǎn)稱MACHO）, 見 /zh-cn/%E6%9A%88%E6%97%8F%E5%A4%A7%E8%B3%AA%E9%87%8F%E7%B7%BB%E5%AF%86%E5%A4%A9%E9%AB%94其實(shí)存在更直接的觀測(cè)來(lái)檢驗(yàn)MACHO是否是暗物質(zhì)的主要成分，這就是微引力透鏡效應(yīng)。在介紹微引力透鏡效應(yīng)之前，一個(gè)我們首先值得搞懂的問題，就在于它的名字，為什么要叫暈族？我們知道，星系周圍的在恒星的主要分布區(qū)域以外的很大區(qū)域，我們把它叫做暈Halo。但其實(shí)這樣的說(shuō)法其是也是來(lái)自一個(gè)支持暗物質(zhì)的主要觀測(cè)

8、，所謂的星系旋轉(zhuǎn)曲線這是個(gè)牛頓的萬(wàn)有引力定律就足夠描述的問題。以高中物理的知識(shí)，如果星系的質(zhì)量完全就是發(fā)光的恒星的質(zhì)量的話，那應(yīng)該是離得星系中心越遠(yuǎn)的地方的質(zhì)點(diǎn)繞星系轉(zhuǎn)動(dòng)的速度越慢。天文學(xué)家可以在星系的恒星集中分布區(qū)以外找到個(gè)別的恒星，用Doppler效應(yīng)直接測(cè)量它繞銀河系中心轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)的是完全不同的情況， 見下圖。這就說(shuō)明在通常的恒星的 質(zhì)量以外，還有很大的質(zhì)量分布在更廣大的范圍內(nèi)，從而使得那條曲線并沒有掉下去。圖©1星系轉(zhuǎn)動(dòng)曲線的丁杷批伸由那條觀測(cè)到的曲線推出來(lái)的物質(zhì)的分布，就是暈。暗物質(zhì)應(yīng)該分布在大得多的暈中，是一個(gè)觀測(cè)的結(jié)果。言歸正傳，所謂的微引力透鏡效應(yīng)， 是引

9、力透鏡效應(yīng)的一種。 通常的引力透鏡，是大質(zhì)量的 光學(xué)上難以看到的天體 （往往是星系）對(duì)遠(yuǎn)方的明亮的星系的光的折射。 光在引力場(chǎng)中會(huì)偏折， 這是愛因斯坦的廣義相對(duì)論的著名預(yù)言，其實(shí)牛頓萬(wàn)有引力定律也可以描述，只是數(shù)量上不對(duì)。如果起透鏡作用的是近得多的也小得多的天體，那也可以，這就是微引力透鏡。微引力透鏡效應(yīng)中的起透鏡作用的天體就是上面的MACHO。因?yàn)檫@些天體離我們近，相對(duì)的角速度大，所以它的引力透鏡作用是可以隨著它和遠(yuǎn)方明亮天體的相對(duì)位置改變而在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生顯著改變的，這是它的特別之處。天文學(xué)家觀測(cè)了銀河系的微引力透鏡效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在億分之一個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量到100 個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量之間，行星、褐矮星、白矮

10、星、中子星、黑洞等等暈族大質(zhì)量致密天體，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能解釋暗物質(zhì)的。 暗物質(zhì)不是一個(gè)個(gè)單個(gè)的天體，而應(yīng)該是彌散的狀態(tài)，應(yīng)該是某種彌散分布的粒子。暗物質(zhì)既然不是聚集成個(gè)的天體，那么它能不能就是彌散的質(zhì)子電子這些普通物質(zhì)呢？幾個(gè)方面的觀測(cè)可以排除這種可能性宇宙中的質(zhì)子電子可以以氣態(tài)或等離子態(tài)存在，這取決于它們有沒有電離。對(duì)于沒有電離的氫原子，有一個(gè)觀測(cè)的手段，叫作萊曼 a森林（Lyman-alpha forest）,它是看氫原子的從 基態(tài)主量子數(shù)n=1 （萊曼系）吸收光子跳到 n=2 （ “）的吸收線。對(duì)于非常遠(yuǎn)的天體發(fā)出的 光， 其中相應(yīng)波長(zhǎng)的部分會(huì)在經(jīng)過(guò)中性氫氣體云時(shí)被吸收。特別是假設(shè)光經(jīng)過(guò)了多個(gè)

11、中性氫氣體云， 則在宇宙學(xué)的尺度上那些云的紅移不同，實(shí)際上形成的吸收線在光譜上并不是完全重合的，形成了一個(gè)所謂的“森林 ”。這種技術(shù)也可以決定氫的豐度，結(jié)果是中性氫氣體實(shí)際上是比已經(jīng)形成恒星的那部分氫要多很多，但是還不足以解釋所有的觀測(cè)不到的物質(zhì)。類似的對(duì)于電離的氫也有類似結(jié)論。實(shí)際上的這部分氣體的氫往往也稱為是可見物質(zhì)，相對(duì)于我們還不了解的暗物質(zhì)（以及暗能量）。另外獨(dú)立的觀測(cè)來(lái)自微波背景輻射。微波背景輻射是宇宙演化到大約38 萬(wàn)年，原來(lái)電離的質(zhì)子和電子結(jié)合成中性氫原子，不再散射大爆炸后產(chǎn)生的光子余輝時(shí)后者形成的。微波背景輻射在天空的不同方向上應(yīng)該說(shuō)是高度均勻的，不均勻性用輻射的溫度來(lái)衡量，只

12、有大概十萬(wàn)分之幾。但就是這十萬(wàn)分之幾，就給了天體物理學(xué)家無(wú)盡的信息。它在某點(diǎn)是隨機(jī)的，但是它兩點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)函數(shù)的統(tǒng)計(jì)漲落，顯著的依賴于宇宙中的各種成分。這個(gè)原理非常復(fù)雜，但是有現(xiàn)成的程序來(lái)做這件事。事實(shí)上有興趣的讀者可以在/toolbox/tb_camb_form.cfm 試著玩一下，看看你做為上帝能出什么樣的宇宙。很抱歉我們這里省略了對(duì)于那個(gè)網(wǎng)頁(yè)上的參數(shù)的介紹。就用那個(gè)網(wǎng)頁(yè)上的數(shù)值計(jì)算程序，選取不同的宇宙學(xué)參數(shù)，算出的理論的微波背景輻射功率譜和目前觀測(cè)的（主要是WMAP 衛(wèi)星的 7 年的數(shù)據(jù)）作比較， 最好的擬合給出了質(zhì)子電子的普通物質(zhì)只能

13、占宇宙的密度的大約4.6% ， 而暗物質(zhì)應(yīng)該占大約23% ， 剩下的是更加神秘莫測(cè)的暗能量。通常的天體例如恒星，實(shí)際上只占到宇宙密度的1% 不到。應(yīng)該說(shuō)明的是，這4.6% 是參加散射大爆炸余輝的，或者說(shuō)參與電磁相互作用的，而23% 是不參與電磁相互作用的。暗物質(zhì)不能參加電磁相互作用，這樣的粒子并不是沒有現(xiàn)成的，中微子正是一個(gè)選擇。但是我們看到那個(gè)網(wǎng)頁(yè)上中微子豐度是另外單獨(dú)的一項(xiàng)，在默認(rèn)值0.114的暗物質(zhì)豐度 Qch2的下面，即Qvh2o而且它的默認(rèn)值是0,就是中微子作為暗物質(zhì)候選也是不被認(rèn)可的。這又是為什么？中微子的質(zhì)量是多少還是一個(gè)未解之謎，無(wú)論是在粒子物理的角度還是在宇宙學(xué)的角度。粒子物

14、理的角度，獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)的中微子振蕩實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)探測(cè)到中微子的三個(gè)質(zhì)量本征態(tài)之間的兩個(gè)平方差，分別是大約7*10人-5eVA2和3*10人-3eVA2 ,所以至少兩代中微子肯定是有質(zhì)量的。但是受原理的限制，它并不能給出中微子絕對(duì)的質(zhì)量來(lái)。但是在宇宙學(xué)的角度，首先可以結(jié)合觀測(cè)把中微子的數(shù)密度算出來(lái)，這其中用到了宇宙微波背景輻射的溫度是大約2.725K 的事實(shí)。根據(jù)相當(dāng)確定的各種組分粒子退耦的物理機(jī)制，對(duì)應(yīng)于2.725K的背景光子的背景中微子的溫度是 1.95K,宇宙中微子的數(shù)密度是大約每 cmA 3有336個(gè)。這個(gè)密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于質(zhì)子的數(shù)密度大約每mA3才1個(gè)，大了 8個(gè)量級(jí)以上。所以中微子的質(zhì)量可

15、以相當(dāng)小，仍然能夠給出足夠的豐度。事實(shí)上，如果每種中微子都有大約50 eV 的質(zhì)量，就足夠提供宇宙所有的臨界密度，宇宙也就將在未來(lái)重新收縮回奇點(diǎn)。而現(xiàn)在粒子物理上對(duì)于中微子質(zhì)量的限制，最弱的只有18 MeV或18000000 eV。所以中微子作為暗物質(zhì)的空間這樣看來(lái)是相當(dāng)大的。但是問題來(lái)自另外的方面 結(jié)構(gòu)形成，即宇宙中的星系團(tuán)星系這樣的集團(tuán)是如何形成的。宇宙大爆炸之后一開始是一片比較均勻但其實(shí)又有微小漲落的氣體，其中密度高的部分可能會(huì)因?yàn)樗|(zhì)量大而吸引更多的物質(zhì)所以其密度更高質(zhì)量更大，最后就形成了星系團(tuán)和星系。這樣一個(gè)吸積的過(guò)程的效率非常依賴于被吸積的物質(zhì)的速度，顯然如果被吸引的物質(zhì)速度越高的

16、話，就越難以被吸積到。一個(gè)同理的例子是彗星的軌道和近日點(diǎn)的速度的關(guān)系，速度太大的話彗星就不會(huì)形成橢圓軌道而是雙曲軌道飛出太陽(yáng)系了。被吸積的粒子都經(jīng)過(guò)了宇宙早期的熱平衡狀態(tài)，熱平衡的狀態(tài)是各種粒子有著相同的溫度，也就是熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能。宇宙還是在不斷膨脹的，膨脹會(huì)引起粒子動(dòng)量的減小，而這個(gè)紅移的效果對(duì)于不同粒子是一樣的。所以如果各種粒子都是無(wú)質(zhì)量的話，它們應(yīng)該一直都有相同的動(dòng)量。 真實(shí)的情況要考慮所謂的某組分退耦熵轉(zhuǎn)移重加熱等等細(xì)節(jié)，但是不同粒子之間的動(dòng)量仍然不會(huì)差得太遠(yuǎn)。這樣的話顯然的，質(zhì)量大的粒子某方向在動(dòng)量一定的情況下，相比其他粒子其速度就小。有了上述分析，我們就可以看出，中微子作為暗物質(zhì)的問

17、題就在于它的質(zhì)量太小，所以它的速度太大，事實(shí)上若它具有作為暗物質(zhì)的主要成分所要求的質(zhì)量的話，那么在結(jié)構(gòu)形成的最重要的時(shí)間段里它還一直是以接近光速的速度在運(yùn)動(dòng)的。這樣它就非常難以凝結(jié)成團(tuán)，也沒有辦法演化出今天我們所有的星系團(tuán)星系的結(jié)構(gòu)。這樣的暗物質(zhì)是所謂的熱暗物質(zhì)，熱暗物質(zhì)的可能性可以被結(jié)構(gòu)形成的考慮所排除。一個(gè)能夠給出今天的星系團(tuán)和星系結(jié)構(gòu)的暗物質(zhì)，應(yīng)該是一種足夠慢，非常容易凝結(jié)成團(tuán)的粒子。 這要求如果粒子就是上面所說(shuō)的熱平衡的遺跡的話，它應(yīng)該是質(zhì)量比較大的。這樣的暗物質(zhì)是所謂的冷暗物質(zhì)。以上的分析已經(jīng)窮盡了目前我們有明確知識(shí)的所有的暗物質(zhì)候選者：所有已知的天體不可能是暗物質(zhì)，所有已知的粒子不

18、可能是暗物質(zhì)。我們只是有足夠的把握，說(shuō)明它不是上面任何一種東西；當(dāng)然我們還沒有足夠的知識(shí)說(shuō)它就是什么，否則也不會(huì)把它叫暗物質(zhì)了。現(xiàn)在我們只能構(gòu)思新的物理來(lái)解釋暗物質(zhì)。總結(jié)一下上面的分析我們看出，應(yīng)該設(shè)想的暗物質(zhì)是粒子的形態(tài)而不是天體的形態(tài)，不可能有電磁相互作用最多只是弱相互作用，粒子質(zhì)量應(yīng)該比較大。這樣我們自然的就得到了目前的主流暗物質(zhì)模型的統(tǒng)一定義 弱相互作用大質(zhì)量粒子(Weakly Interacting Massive Particles 或 WIMP)。要明白的是WIMP 本身并不是一種明確的粒子，而是所有可能的粒子的理論的總稱。我們只是隨便取了個(gè)別名而已，根本不知道它是什么。真正要做

19、的，就是尋找一種粒子物理的理論，里面自然的包括了這樣的WIMP,并證明它是正確的，這樣我們才對(duì)它有了知識(shí)。目前物理學(xué)家已有的努力，主要集中在以下幾個(gè)方面:超對(duì)稱理論中的中性微子(Neutralino )這個(gè)在很多地方叫渺中子，作者在今天以前倒是不知道這個(gè)說(shuō)法。大概渺中子是天體物理學(xué)家的命名，而中性微子是按粒子物理的習(xí)慣的命名。中性微子這個(gè)名字和中微子還是有點(diǎn)接近的，淵源上來(lái)說(shuō)其實(shí)也有，都主要是SU(2) 的對(duì)稱性的表示，但是性質(zhì)還是差得挺遠(yuǎn)的。因?yàn)榻榻B起整個(gè)的粒子物理理論來(lái)太困難了，所以這里只是簡(jiǎn)單的說(shuō)，超對(duì)稱是要求每一個(gè)已知的粒子物理所謂“標(biāo)準(zhǔn)模型”中的粒子(三代三色上下型左右手夸克，三代左

20、手中微子和帶電左右手輕子，以及光子、WA+-ZA0玻色子和8種膠子還有尚未發(fā)現(xiàn)的Higgs玻色子，以及上述所有粒子的反粒子)都有一個(gè)自旋差1/2 而其他的荷都相同的超對(duì)稱伙伴粒子與之對(duì)應(yīng)。 這樣的超對(duì)稱伙伴粒子只能成對(duì)產(chǎn)生或湮滅，其中最輕的一種單個(gè)的話是穩(wěn)定的，這在很多超對(duì)稱理論中就是這里的中性微子，或者說(shuō)是弱相互作用的自旋為1 的中性的ZA0和 B 規(guī)范玻色子的超對(duì)稱伙伴以及自旋為0 的 Higgs 玻色子的超對(duì)稱伙伴混合之后的東西。它的質(zhì)量一般猜測(cè)會(huì)比質(zhì)子的質(zhì)量大幾百倍。中性微子做暗物質(zhì)是學(xué)術(shù)界最主流的模型，甚至往往人們說(shuō)WIMP 的時(shí)候指的實(shí)際上只是中性微子。這不僅僅是因?yàn)樗耆仙鲜?/p>

21、的WIMP 的定義，也不僅僅是因?yàn)槌瑢?duì)稱理論很熱門，而是因?yàn)檫@樣的模型能夠自然的與宇宙中的暗物質(zhì)豐度相符合，這是所謂的WIMPmiracle 。由統(tǒng)計(jì)物理的辦法，可以算出從熱平衡狀態(tài)隨著宇宙膨脹溫度下降而退耦時(shí)殘留下來(lái)的某組分粒子的豐度。計(jì)算依賴于所假設(shè)的粒子在退耦時(shí)刻的平均散射截面，而不依賴于粒子的質(zhì)量。 在輸入了今天宇宙學(xué)的一系列觀測(cè)量之后，并不復(fù)雜的計(jì)算給出的粒子的散射截面應(yīng)該是弱相互作用的級(jí)別。這個(gè)弱相互作用，就是學(xué)名SU(2)_L 的讓中子發(fā)生beta 衰變的那種相互作用，也就是中微子與其他物質(zhì)的相互作用。不過(guò)今天的暗物質(zhì)的相互作用比中微子的還是要更弱一些，因?yàn)楝F(xiàn)在暗物質(zhì)粒子的速度更

22、小了。如果中性微子是暗物質(zhì)的話，那么有可能在比較近的未來(lái)被直接探測(cè)到。目前大多數(shù)暗物質(zhì)探測(cè)器， 包括錦屏山的清華和交大的兩臺(tái)不同的探測(cè)器，實(shí)際上都只是在探測(cè)這樣的暗物質(zhì)候選者。超引力理論中的引力微子(Gravitino )引力微子像上面的一樣也是超對(duì)稱理論中的超對(duì)稱伙伴粒子，不同的是顧名思義它是引力子的超對(duì)稱伙伴，自旋是3/2 。把引力也拿來(lái)做超對(duì)稱的理論是超引力理論，在很多超對(duì)稱理論中， 引力微子取代中性微子是最輕的超對(duì)稱粒子，而且在一大類理論中它可能非常輕，有可能比質(zhì)子甚至電子還輕，已經(jīng)不能夠滿足大質(zhì)量的定義了，在這種情況下引力微子在結(jié)構(gòu)形成方面是有問題的。但是這只是理論的某些參數(shù)取值，在

23、另外的很多參數(shù)下它還是足夠好的模型。之所以現(xiàn)在還沒有發(fā)現(xiàn)它，并不是因?yàn)樗啬芰坎粔蚣铀倨魃袭a(chǎn)生不出來(lái)，而是因?yàn)樗南嗷プ饔脤?shí)在是太弱了。它們之間的相互作用是引力級(jí)別的，這在粒子物理上是無(wú)能為力的。在人類可以預(yù)見的未來(lái)，直接探測(cè)單個(gè)引力微子的相互作用都是不可能的。強(qiáng) CP 問題中的軸子(Axion )和超對(duì)稱理論試圖解決Higgs 玻色子質(zhì)量的穩(wěn)定性問題類似的，強(qiáng)相互作用的量子色動(dòng)力學(xué)中有非 Abel 規(guī)范場(chǎng)的theta 真空的選擇問題。軸子的引入使得theta 真空能夠動(dòng)力學(xué)的被穩(wěn)定在 CP 不被破壞的基態(tài)。軸子的質(zhì)量很小，目前已經(jīng)限定到了它的質(zhì)量最多和中微子接近甚至還小，所以它嚴(yán)格說(shuō)來(lái)并不是

24、WIMP,不符合其中的 Massive這條。但是與引力微子不同的是，它仍然始終可以做暗物質(zhì)的候選者，這是因?yàn)樗诮Y(jié)構(gòu)形成的階段速度也不高。事實(shí)上，軸子的產(chǎn)生機(jī)制并不是大爆炸之后的熱產(chǎn)生，而是有其他的更主要的共振的產(chǎn)生方式。這樣產(chǎn)生的軸子速度是足夠小的，也能夠像熱產(chǎn)生的大質(zhì)量粒子一樣在引力下被吸積。軸子的探測(cè)手段就不是這里的地下探測(cè)器了，主要是看在磁場(chǎng)中它和光子之間的轉(zhuǎn)化，有所謂的光 “穿墻閃耀”的實(shí)驗(yàn)，比如h-CN 。額外維理論中的Kulaza-Klein 模( KK mode )其實(shí)伴隨著LHC 的運(yùn)行，有關(guān)的它可能探測(cè)到額外維度的吸引眼球的新聞報(bào)道越來(lái)越多。這些額外維度和這里說(shuō)的是同樣的理

25、論。它和超弦理論中的額外維度不同，但應(yīng)該說(shuō)粒子物理上的額外維度的研究在很大程度上是被超弦理論中的額外維度的理論所啟發(fā)的。不同的是粒子物理學(xué)家只假設(shè)一個(gè)額外的維度，不像弦理論家會(huì)假設(shè)6 個(gè) 7 個(gè)甚至更多的維度。額外的維度不被看到，一種可能是因?yàn)樗苄。厦娴哪Ｔ谌粘５湍芮闆r下不能被激發(fā)。最簡(jiǎn)單的最早被Kulaza 和 Klein 所研究的物理圖像就是4 維時(shí)空的每個(gè)點(diǎn)上都粘有一個(gè)小圓環(huán)，圓環(huán)的半徑很小，所以要用很高的能量才能激發(fā)它。作為暗物質(zhì)的粒子，如果真的有Kulaza-Klein 的額外維的話，就可能是通常的只有弱相互作用的粒子，但是它的沿著額外維的方向的振動(dòng)被激發(fā)了，所以質(zhì)量變得很大。在

26、我們的四維時(shí)空來(lái)看，第5 維時(shí)空每點(diǎn)的小圓環(huán)上的激發(fā)，看起來(lái)就是粒子的質(zhì)量變大。這樣的理論并沒有暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量和相互作用等方面的確切的預(yù)言，但是應(yīng)該說(shuō)它和第一種候選者中性微子的性質(zhì)是比較接近的。Little Higgs 模型中的暗物質(zhì) 這個(gè)作者也不清楚這究竟是個(gè)怎樣的理論，只是知道有這樣一個(gè)列舉項(xiàng)。惰性中微子(Sterile neutrino )其實(shí)右手Majorana 中微子的名字應(yīng)該更加精確。在前面提到的粒子物理“標(biāo)準(zhǔn)模型”中中微子是只有左手的，這也和當(dāng)年李和楊的“宇稱不守恒”的一個(gè)方面。右手中微子只是標(biāo)準(zhǔn)模型中不需要，因?yàn)樗膊粎⑴c弱相互作用，就是說(shuō)完全不和標(biāo)準(zhǔn)模型中的其他粒子發(fā)生規(guī)范

27、相互作用。 但是實(shí)際上它還是有引力之外的相互作用的，就是和左手中微子和Higgs 玻色子之間的 Yukawa 相互作用。引入了右手中微子的好處，是它可以通過(guò)所謂的“蹺蹺板(see-saw) ”機(jī)制來(lái)解釋左手中微子的質(zhì)量如此之小。右手中微子也有三代，其中一代可以作為暗物質(zhì)的候選。但是惰性中微子作為暗物質(zhì)候選者的話，其質(zhì)量應(yīng)該比較小，要遠(yuǎn)小于其他幾代右手中微子，否則會(huì)衰變。但這樣小的質(zhì)量在see-saw 機(jī)制中并不自然。惰性中微子作為暗物質(zhì)候選者是沒有辦法直接探測(cè)的。WIMP-type Candidates %1T ” T r， T TF T F T 1 ，T T，T 7 - Tneutrino

28、v:axionaxino 3 15-1Z*9603691215 ISlog(mx/(l GeV)其他模型中的粒子剩下的未歸類的暗物質(zhì)候選者，主要包括的就事論事的意義上提的暗物質(zhì)候選者，它們沒有辦法嵌入到更高級(jí)的相對(duì)完備的理論中去。比如不對(duì)稱的暗物質(zhì)（Asymmetric Dark Matter簡(jiǎn)稱ADM）,這是看到了暗物質(zhì)的豐度其 實(shí)和可見物質(zhì)的豐度相差僅僅五六倍，并不大，而且這個(gè)比例是不隨時(shí)間變化的。在很多物理學(xué)家看來(lái)這是一個(gè)需要解釋的現(xiàn)象。ADM假設(shè)暗物質(zhì)粒子和不同物質(zhì)的質(zhì)子（精確地說(shuō)是包括中子的重子）具有數(shù)量上一比一的關(guān)系，只是質(zhì)量上差了幾倍。比如前面提到的軸子，往往也考慮它的超對(duì)稱伙伴

29、軸微子（ Axino）,它可能是最輕的超對(duì) 稱粒子，所以穩(wěn)定，是暗物質(zhì)候選者。有人考慮暗物質(zhì)粒子非常非常重的可能性， 叫做Wimpzilla ,它可能比質(zhì)子重10個(gè)量級(jí)以上。 有人考慮暗物質(zhì)粒子不是基本粒子， 而是類似于質(zhì)子，是更基本的粒子的復(fù)合的情況。 復(fù)合 粒子內(nèi)部有相互作用把它們束縛在一起，但是作為整體就沒有強(qiáng)或電磁的相互作用了。等等等等，這樣的列表想舉全是很困難的。列舉暗物質(zhì)候選者收尾之際，讓我們稍微轉(zhuǎn)移下話題。宇宙中還有豐度更多的所謂暗能量, 那么它和暗物質(zhì)有什么關(guān)系？愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系式鼎鼎大名，以至于有人認(rèn)為暗物質(zhì)就是暗能量，質(zhì)能等價(jià)嘛。事實(shí)上不是這樣的。它們都是專業(yè)術(shù)語(yǔ)。當(dāng)然它

30、們都是我們現(xiàn)在所不知道的存在，但是暗物質(zhì)的行為還是像普通的物質(zhì)一樣，是說(shuō)隨著宇宙膨脹暗物質(zhì)的密度會(huì)被稀釋，如果是粒子的話總的粒子個(gè)數(shù)守恒。但是暗能量就無(wú)論如何不可能是粒子，因?yàn)樗S著宇宙的膨脹密度不變。如果要是堅(jiān)持它是粒子的觀點(diǎn)，那就只能是隨著宇宙膨脹宇宙在不斷的產(chǎn)生這樣的粒子，這個(gè)并不是一個(gè)好的描述。學(xué)術(shù)界采用的描述是它是真空的能量，而真空的能量密度是固定的，就是宇宙學(xué)常數(shù)。宇宙膨脹空間變大，能量也就變大。在宇宙膨脹中的不同行為，是暗物質(zhì)和暗能量的最本質(zhì)區(qū)別，其他的物理量上的區(qū)別一般都是從這里來(lái)的。一般認(rèn)為暗能量不會(huì)被吸積，始終保持宇宙各處密度的絕對(duì)一致，而暗物質(zhì)被吸積是結(jié)構(gòu)形成的基礎(chǔ)。最后說(shuō)一說(shuō)暗物質(zhì)的探測(cè)技術(shù)，探測(cè)分為三大類：地下直接探測(cè)、天文學(xué)上間接探測(cè)和加速器上探測(cè)。地下直接探測(cè)基本上就是放一大堆物質(zhì)在那里，在地下排除宇宙線的背景，越深越好；用它們的原子核作為靶，越多越好。然后等著暗物質(zhì)粒子與原子核的作用造成的原子核的反沖放熱或發(fā)光，當(dāng)然因?yàn)樯⑸浣孛婧苄『苄?，這個(gè)可能性是很小的。有的話撞了大運(yùn)，沒的話再造更大的探測(cè)器，挖更深的洞，降更