神秘的暗物质可能是来自额外维度的宇宙遗迹

这是美国自然历史博物馆海登天文馆“暗宇宙空间展”的主题图片，突出展示了暗物质可能在我们的宇宙中无处不在。在这幅精细的计算机模拟图中，复杂的暗物质纤维如同蜘蛛网一般散布在宇宙中，而我们常见的重子物质则呈现为橙色团块，在宇宙中相对罕见。这些模拟与天文观测结果具有良好的统计匹配度。暗物质可能还不是宇宙中最奇怪的引力来源，这一“荣誉”已经落到了暗能量身上；暗能量是一种更均匀的排斥性引力来源，似乎主宰了整个宇宙的膨胀。

研究人员的计算表明，这些粒子的数量可能正好足以解释暗物质。目前，物理学家还未真正观测到暗物质的存在，只能通过其对普通物质的引力效应来“观测”，大量的引力子产生于早期宇宙中普通粒子的碰撞。以往认为这一过程是非常难以发生的，因此大量的引力子不可能成为暗物质的候选。

在发表于今年2月《物理评论快报》（Physical Review Letters）的一项新研究中，物理学家发现，早期宇宙可能会产生大量的引力子，足以解释我们目前在宇宙中探测到的暗物质。

宇宙是否具有比我们想象的更多维度？

该研究发现，如果早期宇宙的引力子真的存在，那它们的质量将小于1MeV，不超过电子质量的两倍。这个质量水平远低于希格斯玻色子产生普通物质质量的尺度——这是该模型产生足够数量的希格斯玻色子来解释宇宙中所有暗物质的关键。（相比之下，根据美国国家标准与技术研究所的数据，已知的最轻的粒子中微子质量不到2eV，而质子的质量约为940 MeV。）

研究团队在寻找额外维度的证据时发现了这些假想的引力子。一些物理学家怀疑，在我们已观测到的三维空间和第四维时间之外，还存在着其他额外的维度。根据该团队的理论，当引力通过额外维度传播时，它会在我们的宇宙中以大量引力子的形式出现。

不过，这些粒子只能与普通物质发生微弱的相互作用，而且只能通过引力产生作用。这种描述与目前已知的暗物质特性惊人地相似：暗物质不与光相互作用，但却具有宇宙中任何地方都能感受到的引力效应。例如，物理学家认为，暗物质所产生的引力效应是阻止星系分离的原因。

在广义相对论中，引力被看作是一种几何现象，即时空的曲率。在目前的物理学中，这个观点获得了极大成功。而量子力学的观点认为，作用力是由不连续的能量包（即量子）交换而产生的。不同的量子产生了不同的作用力。基于这种观点，量子物理学的标准模型认为，基本相互作用都是由量子交换产生的，并提出了规范玻色子的理论，如电磁力由光子交换产生，弱核力由W及Z玻色子交换产生，强核力由胶子交换产生。这个理论预测，引力也应该是由某种玻色子交换产生的，而这种玻色子就被称为引力子。

这张宇宙演化的示意图显示，最早期的恒星和星系形成于宇宙大爆炸后的最初几亿年间。

对于大量引力子作为暗物质粒子的假说，其主要优势在于，这些粒子仅通过引力相互作用，因此可以逃避探测它们存在的尝试，相比之下，其他暗物质候选粒子——如大质量弱相互作用粒子（WIMP）、轴子和中微子——也可能通过它们与其他力和场的非常细微的相互作用而被探测到。许多科学家认为，WIMP是暗物质最有希望的候选，但最新的研究称，暗物质的质量应该小于WIMP。目前有许多实验在寻找理论上的WIMP粒子，这些实验必须在地下进行，以避免宇宙射线的干扰。

事实上，大量的引力子几乎不会通过引力与宇宙中的其他粒子和力相互作用，这提供了另一个优势。由于它们之间的相互作用非常微弱，因此衰变得非常缓慢，以至于在整个宇宙的生命周期中都保持稳定，出于同样的原因，它们在宇宙膨胀期间缓慢产生，不断积累，直到今天。

以往物理学家认为，引力子不太可能是暗物质的候选，因为它们的产生过程极其罕见。因此与其他粒子相比，引力子的产生速度要低得多。但研究小组发现，在大爆炸后的万亿分之一秒内，引力子的数量可能比过往理论所认为的要多得多。研究发现，这种数量的增多足以让引力子完全解释我们在宇宙中探测到的暗物质数量。

由于大量引力子形成于希格斯玻色子的能量尺度之下，因此它们不受与更高能量尺度相关的不确定性的影响，而目前的粒子物理学无法很好地描述这种不确定性。该团队的理论将在大型强子对撞机（LHC）等粒子加速器上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（FCC）这样的超大型粒子加速器可以用来寻找这些潜在暗物质粒子存在的证据。FCC的规模将是目前世界上最强的粒子加速器LHC的四倍，撞击能量上也可达到LHC的六倍。按照计划，该加速器将于2035年开始运行。（任天）