暗物质可能是来自额外维度的宇宙遗迹

美国自然历史博物馆的海登天文馆太空展 "黑暗宇宙 "中的一张图片，突出了暗物质可能在我们的宇宙中无处不在的例子。在这幅来自一个详细的计算机模拟的画面中，黑色显示的复杂的暗物质细丝像蜘蛛网一样散落在宇宙中，而相对罕见的熟悉的重子物质团块则被染成了橙色。这些模拟结果与天文观测结果有很好的统计匹配。在一个也许是更可怕的转折中，暗物质不再被认为是宇宙中最奇怪的重力来源。这一荣誉现在落到了暗能量身上，这是一种更均匀的排斥性引力来源，现在似乎主导了整个宇宙的膨胀。

研究人员的计算暗示，这些粒子可能以恰到好处的数量被创造出来以解释暗物质，而暗物质只能通过其对普通物质的引力被"看见"。"巨大的引力子是由早期宇宙中普通粒子的碰撞产生的。"研究报告的共同作者、法国里昂大学的物理学家Giacomo Cacciapaglia告诉《生活科学》说："这个过程被认为太罕见了，大质量引力子不可能成为暗物质的候选人。"

但是在2月份发表在《物理评论快报》上的一项新研究中，Cacciapaglia与韩国大学的物理学家Haiying Cai和Seung J. Lee发现，这些引力子在早期宇宙中就已经产生，足以解释我们目前在宇宙中探测到的所有暗物质。

研究发现，如果引力子存在，其质量将小于1兆电子伏特（MeV），因此不超过一个电子质量的两倍。这一质量水平远远低于希格斯玻色子为普通物质产生质量的规模--这对于该模型产生足够多的希格斯玻色子以解释宇宙中的所有暗物质来说是关键。(作为比较，已知最轻的粒子，中微子的重量不到2电子伏特，而一个质子的重量大约为940MeV）。

该团队在寻找额外维度的证据时发现了这些假设的引力子，一些物理学家怀疑这些引力子与观察到的三维空间和四维时间同时存在。

在研究小组的理论中，当引力通过额外维度传播时，它在我们的宇宙中会变成大质量的引力子。

但是这些粒子只与普通物质发生微弱的相互作用，而且只通过引力。这种描述与我们所知道的暗物质极为相似，暗物质不与光相互作用，但在宇宙中到处都能感受到引力影响。例如，这种引力影响是防止星系飞散的原因。

"大质量引力子作为暗物质粒子的主要优势是，它们只在引力上相互作用，因此它们可以逃避探测其存在的尝试，"Cacciapaglia说。相比之下，其他被提议的暗物质候选者--比如弱相互作用的大质量粒子、轴子和中微子--也可能通过它们与其他力量和场的非常微妙的相互作用来感受到。

大质量引力子几乎没有通过引力与宇宙中的其他粒子和力量相互作用的事实提供了另一个优势。"由于它们非常微弱的相互作用，它们衰变的速度非常慢，以至于在宇宙的寿命中保持稳定，"Cacciapaglia说，"出于同样的原因，它们在宇宙的膨胀过程中慢慢产生，并在那里积累到今天。"

过去，物理学家认为引力子是不太可能的暗物质候选物，因为创造它们的过程极其罕见。因此，引力子的产生率会比其他粒子低得多。

最早的恒星和星系是在大爆炸后的最初几亿年里形成的，在这幅宇宙演变图中可以了解到过程。

但研究小组发现，在大爆炸后的皮秒（万亿分之一秒）内，所产生的这些引力子要比过去的理论所认为的多。该研究发现，这种增强足以让大规模引力子完全解释我们在宇宙中检测到的暗物质的数量。

Cacciapaglia说："这种增强确实让人震惊。让我们不得不进行许多检查，以确保结果是正确的，因为它导致我们考虑大质量引力子作为潜在暗物质候选者的方式发生了范式转变。"

由于大质量引力子的形成低于希格斯玻色子的能量尺度，它们摆脱了与更高能量尺度有关的不确定性，而目前的粒子物理学并不能很好地描述这些能量尺度。

该团队的理论将大型强子对撞机等粒子加速器研究的物理学与引力物理学联系起来。这意味着像欧洲核子研究中心的未来环形对撞机这样的强大粒子加速器，应该在2035年开始运行，可以猎取这些潜在暗物质粒子的证据。