【原】她是MIT的暗物質(zhì)“偵探”，她對(duì)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)不屑一顧

造就Talk 2020-07-21

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制造、加速、撞擊。

這是科學(xué)家在探索暗物質(zhì)時(shí)不斷重復(fù)的三個(gè)步驟。

麻省理工學(xué)院理論物理學(xué)家特雷西·斯雷提耶（Tracy Slatyer）就是這樣一名暗物質(zhì)“偵探”。

宇宙中暗物質(zhì)的質(zhì)量是普通物質(zhì)的五倍，但我們既不知道它是由什么粒子構(gòu)成的，也不清楚它有多大、作用規(guī)律如何。

求解的途徑有三條：一是使用大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)這樣的粒子加速器，試圖把它們制造出來(lái)；

二是通過(guò)高靈敏度的直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)它們與標(biāo)準(zhǔn)模型粒子的沖擊與對(duì)撞；

三是斯雷提耶所采用的方法，即用望遠(yuǎn)鏡觀察它們?cè)谔罩械呐鲎不蛩プ?，以及由此釋放出的微弱的光信?hào)。

到目前為止，研究人員都一無(wú)所獲。

繼希格斯玻色子以后，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)就再?zèng)]有碰撞出任何新粒子。

直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)也沒(méi)有檢測(cè)到確鑿的信號(hào)，天文搜索亦沒(méi)有找到能證明暗物質(zhì)身份的明確證據(jù)。

但包括斯雷提耶在內(nèi)的很多科學(xué)家都認(rèn)為，憑借現(xiàn)在宇宙望遠(yuǎn)鏡的數(shù)量，我們完全可以對(duì)諸多不同類型的暗物質(zhì)展開(kāi)地毯式的搜索。

“因?yàn)槲覀冄芯刻祗w物理，本來(lái)就有很多這樣的望遠(yuǎn)鏡，覆蓋的能量范圍非常廣?！?/span>

斯雷提耶從業(yè)以來(lái)的經(jīng)歷告訴我們，入行不久的研究人員雖然沒(méi)什么機(jī)會(huì)使用大型天文望遠(yuǎn)鏡，但在這個(gè)天體物理數(shù)據(jù)開(kāi)源的新時(shí)代，他們也能有重大發(fā)現(xiàn)。

2009年，美國(guó)宇航局的費(fèi)米伽瑪射線空間望遠(yuǎn)鏡向公眾開(kāi)放了數(shù)據(jù)。

沒(méi)過(guò)多久，包括斯雷提耶在內(nèi)的觀察者就在銀河系中心發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)新的伽瑪射線源。

人們認(rèn)為，暗物質(zhì)就能發(fā)射出這樣的信號(hào)。

暗物質(zhì)粒子在碰撞后會(huì)釋放出電子和正電子，可能將附近光子的能量加速至伽馬射線的級(jí)別。

2010年，斯雷提耶還是哈佛大學(xué)的一名研究生，就和同學(xué)蘇萌以及導(dǎo)師道格拉斯·芬克拜納（Douglas Finkbeiner）一起，證明了圍繞銀河系中心的伽瑪射線團(tuán)不是漫射云，而是兩個(gè)巨大的等離子體泡，與銀河系中心的黑洞相連，這種結(jié)構(gòu)后來(lái)被命名為“費(fèi)米氣泡”。

2015年，斯雷提耶所在的另一個(gè)團(tuán)隊(duì)又宣稱，銀河系中心這些伽馬射線的來(lái)源并不是暗物質(zhì)，而是一群神秘的暗天體，說(shuō)不定是脈沖星族。

費(fèi)米氣泡想象圖：兩個(gè)明亮的等離子體泡從銀河系中心向上下兩邊延伸。

斯雷提耶正在研究銀河系中心那些額外的伽馬射線是怎么來(lái)的。

另外她也在思考，暗物質(zhì)湮滅將怎樣左右宇宙的歷史。

以下為斯雷提耶接受采訪的內(nèi)容節(jié)選：

費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)最早浮出水面的時(shí)候，你們?cè)?jīng)猜測(cè)，銀河系中心這些強(qiáng)有力的伽馬射線信號(hào)可能來(lái)自暗物質(zhì)湮滅。但現(xiàn)在，你們已經(jīng)不這樣認(rèn)為了吧？

我現(xiàn)在的猜測(cè)是，那可能是一群伽瑪射線的新點(diǎn)源，也許是脈沖星族。

不過(guò)說(shuō)也奇怪，它一點(diǎn)也不像銀河星系盤(pán)的樣子，倒像是一個(gè)新的脈沖星族，比費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的那些脈沖星要暗得多。

我們還不能解釋這些脈沖星是怎么來(lái)的，也沒(méi)有證實(shí)它們就是脈沖星。

這是個(gè)不小的謎團(tuán)。

就算那不是暗物質(zhì)，在我們已知的天體中，也沒(méi)有誰(shuí)在這么多方面都跟暗物質(zhì)如此接近吧？

如果知道什么樣的天體物理過(guò)程能產(chǎn)生這樣的信號(hào)，這對(duì)我們會(huì)很有幫助。

因?yàn)樗瓷先ズ芟癜滴镔|(zhì)發(fā)出的信號(hào)。就算不是暗物質(zhì)，也稱得上是“高仿”了。

它的頻譜與暗物質(zhì)基本相符，空間分布也和人們想象中的暗物質(zhì)湮滅效果很像。

要搜尋暗物質(zhì)，就要理解這類信號(hào)。

我當(dāng)然想發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)，但我從事科學(xué)的初衷，是想發(fā)現(xiàn)人們從未見(jiàn)過(guò)的東西，我覺(jué)得這樣很酷。對(duì)于這些信號(hào)，我很想知道它們究竟是什么。

如果答案就是暗物質(zhì)，那當(dāng)然很好；但就算不是，只要能找到答案，我就心滿意足了。

天體物理學(xué)既涉及粒子物理學(xué)，也涉及天文學(xué)，你是怎么進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域的？

當(dāng)年我去哈佛念研究生，一心想和麗莎·蘭道爾（Lisa Randall）和尼瑪·阿爾卡尼-哈米德（Nima Arkani-Hamed）共事，研究宇宙額外維模型。

結(jié)果讀了一年，阿爾卡尼-哈米德去了普林斯頓高等研究院，蘭道爾也休假去了，我就想，那我只能改變計(jì)劃了。

幸運(yùn)的是，我被引薦給了天體物理學(xué)系新來(lái)的一名年輕教授，名叫道格拉斯·芬克拜納，他正想找個(gè)學(xué)過(guò)粒子物理的學(xué)生。

那陣子，我和粒子物理學(xué)家談得很多，而且整個(gè)領(lǐng)域都在等待大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)啟動(dòng)后，能夠提供新的數(shù)據(jù)。

但與芬克拜納一談我才知道，天體物理學(xué)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)有的是，但比起坐等大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)數(shù)據(jù)的人，真正潛心挖掘已有信息的人少之又少。

當(dāng)時(shí)我就想，數(shù)據(jù)這么多，有待解答的疑問(wèn)也很多，而隱藏在這些數(shù)據(jù)中、也許蘊(yùn)含著特殊意義的訊號(hào)同樣很多，唯獨(dú)缺少去挖掘數(shù)據(jù)的人，我可以去做啊。

暗物質(zhì)，顧名思義就是看不見(jiàn)的物質(zhì)，它也沒(méi)有被人類發(fā)現(xiàn)。你怎么知道該如何尋找它呢？

打個(gè)比方，假設(shè)暗物質(zhì)碰撞后會(huì)湮滅，并產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)模型粒子，這個(gè)過(guò)程貫穿宇宙整個(gè)歷史。

而湮滅的速度要是太快，到如今就沒(méi)有暗物質(zhì)剩余了；要是太慢，剩下的暗物質(zhì)就太多了。

只要計(jì)算出宇宙中暗物質(zhì)的量——這一步我們已經(jīng)完成——就能預(yù)測(cè)出暗物質(zhì)粒子應(yīng)該以何種速度碰撞并轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)模型粒子。

從中我們可以大致估算出，各種物體發(fā)出的信號(hào)應(yīng)該有多強(qiáng)。

按照這一估算，我們今天能觀察到暗物質(zhì)湮滅嗎？

我們所處的這個(gè)時(shí)期非常有趣。

如果暗物質(zhì)的質(zhì)量不到100千兆電子伏，相當(dāng)于質(zhì)子質(zhì)量的100倍左右，那我們現(xiàn)在就能觀測(cè)到來(lái)自矮星系的湮滅信號(hào)了，用已有的望遠(yuǎn)鏡就行。

而且應(yīng)該是最近兩年才開(kāi)始觀測(cè)到的。所以，我們的望遠(yuǎn)鏡探索有點(diǎn)恰逢其時(shí)。

你同時(shí)也在往前回溯，尋找早期宇宙的暗物質(zhì)湮滅證據(jù)。這又是怎樣的原理？

宇宙歷史中有一段時(shí)間，恒星和星系都沒(méi)有開(kāi)始發(fā)光發(fā)熱，宇宙處于一種低能量狀態(tài)，它基本上就是一團(tuán)中性氫、中性氦和暗物質(zhì)，到處都散落著暗物質(zhì)的團(tuán)塊。

如果在早期宇宙中，暗物質(zhì)湮滅就像一個(gè)連續(xù)不斷、無(wú)處不在的泵一樣，將高能粒子泵入可見(jiàn)宇宙，那么它應(yīng)該會(huì)對(duì)暗宇宙的演變?cè)斐芍卮笥绊憽?/span>

這些影響的痕跡不是哪個(gè)天體物理過(guò)程可以輕易模擬出來(lái)的。

我們有辦法去研究那個(gè)時(shí)期。我們有宇宙微波背景輻射的光子，它們?cè)诎涤钪娉跗诒会尫?，穿越那個(gè)黑暗的中性宇宙，來(lái)到我們面前。

它受到的任何改變都會(huì)在宇宙微波背景輻射中留下痕跡，而我們可以對(duì)宇宙微波背景輻射進(jìn)行十分細(xì)致的觀測(cè)。

一旦進(jìn)入到恒星開(kāi)始發(fā)光發(fā)熱、星系開(kāi)始成形的時(shí)期，暗物質(zhì)就開(kāi)始結(jié)塊了，暗物質(zhì)碰撞變得更加頻繁。

這個(gè)階段，暗物質(zhì)還是在源源不斷地提供高能粒子。這些粒子可以將氫電離，把它們加熱。

但在4月份的一篇論文里，你似乎又說(shuō)，暗物質(zhì)不大可能給早期宇宙帶來(lái)太大的改變。是不是說(shuō)，這些影響充其量是非常微弱的？

我們當(dāng)時(shí)想解答一個(gè)非常具體的問(wèn)題：在宇宙從幾乎完全中性突然轉(zhuǎn)變成幾乎完全電離的“再電離”時(shí)期，暗物質(zhì)有沒(méi)有可能扮演關(guān)鍵角色？

結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是暗物質(zhì)湮滅或者衰變，都很難對(duì)這個(gè)進(jìn)程起到大的推動(dòng)作用。

所以，那篇論文只是試圖解答這么一個(gè)最基本的問(wèn)題，我們還有一個(gè)更廣泛的課題，那就是從暗宇宙時(shí)期一直到再離子時(shí)期降臨前夕，在這么一段時(shí)期內(nèi)，暗物質(zhì)湮滅或衰變的可觀測(cè)影響會(huì)有哪些？我們想對(duì)這個(gè)問(wèn)題有一個(gè)大致的了解。

未來(lái)還有沒(méi)有新的方式用于搜尋暗物質(zhì)？

有一個(gè)小問(wèn)題我已經(jīng)思索很久了。但我覺(jué)得在我們所說(shuō)的將來(lái)，可能是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，要到非常久遠(yuǎn)的將來(lái)才行。

也許暗物質(zhì)并不是唯一的新粒子，也許暗物質(zhì)會(huì)通過(guò)一種力和自己相互作用。

這種力只有它們自己能感應(yīng)，普通物質(zhì)是感應(yīng)不到的，就像普通物質(zhì)的電磁感應(yīng)對(duì)暗物質(zhì)不起作用一樣。

比如說(shuō)兩個(gè)帶相反電荷的粒子，由于它們相互之間存在電磁引力，因此更容易發(fā)生碰撞。

暗物質(zhì)也是一樣，如果暗物質(zhì)有自己的力，它們之間就更容易相互作用。

一對(duì)帶電粒子在電磁力作用下會(huì)發(fā)生什么呢？其中一種結(jié)果就是形成原子。

而暗物質(zhì)也是一樣，暗物質(zhì)也可以形成類似原子的束縛態(tài)。

最終，這種束縛態(tài)可能會(huì)湮滅，就像一般的暗物質(zhì)湮滅一樣，摧毀自身，產(chǎn)生大量的標(biāo)準(zhǔn)模型粒子。

但束縛態(tài)的形成過(guò)程，以及不同束縛態(tài)之間的過(guò)渡，也可能會(huì)產(chǎn)生能量更低的光子。

在某個(gè)遙遠(yuǎn)的未來(lái)，如果真的觀測(cè)到暗物質(zhì)的湮滅信號(hào)，那么只要找到這場(chǎng)束縛態(tài)躍遷所對(duì)應(yīng)的譜線，也許就能獲得有關(guān)暗物質(zhì)粒子物理學(xué)的大量信息。

這樣一來(lái)，就算大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)造不出這樣的物質(zhì)，也就無(wú)關(guān)緊要了。

只是有一個(gè)問(wèn)題我思索很久了，怎樣才能恰當(dāng)?shù)赜?jì)算束縛態(tài)的形成，并確定束縛態(tài)的形成對(duì)觀測(cè)造成的影響？

也就是說(shuō)，我們可以通過(guò)相應(yīng)的譜線來(lái)了解暗物質(zhì)？

在高能量運(yùn)動(dòng)中，就像電子對(duì)的湮滅一樣，暗物質(zhì)的全部能量都被轉(zhuǎn)換成了標(biāo)準(zhǔn)模型下的產(chǎn)物，但你也有可能在質(zhì)量小得多的粒子層面，觀測(cè)到躍遷過(guò)程產(chǎn)生的譜線，并以此推斷暗物質(zhì)的潛在性狀，以及暗物質(zhì)與載力子之間的相互作用。

大家還可以發(fā)展暗物質(zhì)光譜學(xué)，但前提是我們先要把暗物質(zhì)信號(hào)找出來(lái)。

翻譯：雁行

來(lái)源：WIRED