天体粒子物理与宇宙学

暗物质候选粒子(dark-matter candidate particles)

我们相当确信暗物质存在,却不知道它由什么构成。于是物理学家列出了一张嫌疑名单——一些假想粒子,它们的行为方式得恰到好处:它们必须不带电(这样才不发光,"暗"正是此意),必须足够稳定、能从早期宇宙一直存活到今天,还必须几乎不与普通物质发生作用,这样才能在星系中飘行而只感受到引力。标准模型里的粒子没有一个符合要求,所以每一个候选者都是被提出的新粒子。

几十年来,有两位候选者主导着这场搜寻。第一位是 WIMP,意为弱相互作用大质量粒子:一种沉重的粒子(也许是质子质量的几十到几百倍),通过引力、可能还通过弱相互作用发生作用。WIMP 之所以诱人,是因为如果它们存在,早期宇宙会通过一个叫热退耦的过程,自然而然地产生出差不多正好合适的数量——这个巧合如此漂亮,赢得了"WIMP 奇迹"的绰号。第二位是轴子,一种极轻的粒子,最初是为了解决强相互作用中一个不相干的谜题而发明的,它同样能成为充填宇宙的上佳的冷暗、隐形物质。其他设想还包括惰性中微子和隐藏的"暗光子"。

诚实的现状是:这些粒子一个都还没找到。几十年来灵敏度越来越高的实验搜寻 WIMP 却一无所获,稳步排除了最简单的版本;轴子搜寻如今正逼近有意思的灵敏度,但同样空手而归。这件事之所以重要,是因为暗物质是我们手上证明标准模型不完整的最清晰的证据:外面存在着一种(或几种)粒子,构成了宇宙中绝大部分物质,而我们最好的理论里却没有它——找到它,将是物理学的伟大发现之一。

在许多超对称理论里,最轻的新粒子——常被称为中性微子(neutralino)——会是稳定的、弱相互作用的,使它成为天然的 WIMP 候选者。然而搜寻多年,无论在大型强子对撞机上还是在地下探测器里,这样的粒子都不曾现身。

几位头号嫌疑者至今仍是假想的、未现身的。

这些都是候选者,而非已确认的粒子。"暗物质"一词命名的是一个问题——缺失的引力质量——而不是一种已知的物质;把它叫做"WIMP"或"轴子"是一种假说,而非定论。

又称
WIMPaxion弱相互作用大质量粒子軸子