新理论表明暗物质可能是超维宇宙难民

暗物质是占宇宙质量大部分的难以捉摸的物质，它可能由称为引力子的大质量粒子组成，这些粒子在大爆炸后的第一刻突然出现。

一种新的理论表明，这些假设的粒子可能是来自额外维度的宇宙难民。

研究人员的计算表明，这些粒子的产生量可能恰到好处，可以解释暗物质，而暗物质只能通过其对普通物质的引力来“看到”。

“大质量引力子是由早期宇宙中普通粒子的碰撞产生的。

这个过程被认为对于大质量引力子来说太罕见了，无法成为暗物质候选者，”该研究的合著者、法国里昂大学的物理学家 Giacomo Cacciapaglia 告诉 Live Science。

但在 2 月发表在《物理评论快报》杂志上的一项新研究中，Cacciapaglia 与高丽大学物理学家 Haiying Cai 和 Seung J. Lee 发现，在早期宇宙中产生的这些引力子足以解释所有我们目前在宇宙中探测到的暗物质。

研究发现，如果引力子存在，它们的质量将小于 1 兆电子伏特 (MeV)，因此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为普通物质产生质量的尺度——这是模型产生足够多的普通物质以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院的数据，已知最轻的粒子中微子的重量不到 2 电子伏特，而质子的重量约为 940 MeV。）

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额外维度与观察到的空间三个维度和第四维度时间一起存在。

在该团队的理论中，当引力通过额外维度传播时，它会在我们的宇宙中以大质量引力子的形式出现。

但这些粒子只会与普通物质微弱地相互作用，而且只能通过重力。

这种描述与我们所知道的暗物质惊人地相似，暗物质不与光相互作用，但在宇宙中的任何地方都能感受到引力影响。例如，这种引力影响是阻止星系飞散的原因。

“大质量引力子作为暗物质粒子的主要优点是它们只在引力作用下相互作用，因此它们可以逃避检测它们存在的尝试，”卡恰帕格利亚说。

相比之下，其他提议的暗物质候选者——例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和场的非常微妙的相互作用而被感受到。

大质量引力子几乎不通过引力与宇宙中的其他粒子和力相互作用这一事实提供了另一个优势。

“由于它们的相互作用非常微弱，它们衰变非常缓慢，以至于它们在宇宙的整个生命周期中都保持稳定，”卡恰帕利亚说，“出于同样的原因，它们在宇宙膨胀过程中缓慢产生并在那里积累直到今天。”

过去，物理学家认为引力子不太可能是暗物质候选者，因为产生它们的过程极为罕见。结果，引力子的产生速度将比其他粒子低得多。

但研究小组发现，在大爆炸之后的皮秒（万亿分之一秒）内，产生的这些引力子比过去的理论所暗示的要多。

研究发现，这种增强足以让大质量引力子完全解释我们在宇宙中探测到的暗物质数量。

“这种增强确实令人震惊，”卡恰帕利亚说。 “我们必须进行许多检查以确保结果正确，因为它导致我们认为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，因此它们摆脱了与更高能量尺度相关的不确定性，而目前的粒子物理学并没有很好地描述这一点。

该团队的理论将在大型强子对撞机等粒子加速器上研究的物理学与重力物理学联系起来。

这意味着强大的粒子加速器，如欧洲核子研究中心的未来圆形对撞机，将于 2035 年开始运行，可以寻找这些潜在暗物质粒子的证据。

“我们拥有的最好的镜头可能是未来的高精度粒子对撞机，”Cacciapaglia 说。 “这是我们目前正在调查的事情。”