宇宙射線反物質含量驚人，暗物質是禍首？

一項新的研究表明，在撞擊地球、被稱爲宇宙射線的帶電粒子雨中，反物質的過量存在可能會揭示暗物質的秘密，暗物質是宇宙中最神秘的“物質”。

暗物質對科學家來說是一個重大的挑戰，因爲它估計佔宇宙物質的 85%，但實際上是不可見的，因爲它不與光相互作用。這意味着構成每顆恆星、行星、衛星、小行星、彗星、人類、書籍、咖啡杯和貓的每一個原子，都與暗物質的比例約爲一比五。

由馬德里理論物理研究所的佩德羅·德拉託雷·盧克領導的一組研究人員提出理論，認爲在宇宙射線中，存在數量無法解釋的反物質，即與像質子和電子這樣的物質粒子帶相反電荷的“鏡像粒子”，可能是暗物質粒子湮滅的結果。然而，這種聯繫的精細細節可能會澄清主要的暗物質嫌疑對象——大質量弱相互作用粒子（WIMPs）。

“我們發現，檢測到的反核數量，尤其是反氦（相當於氦核的反物質）的數量，在宇宙中無法用已知的過程來解釋，”德拉託雷·盧克告訴 Space.com。“反粒子在星際介質（即恆星之間的氣體和塵埃）中並不常見，所以發現它們的大量產生可能表明存在超出我們所知的過程。

“特別是，如果暗物質是一種粒子，預計它很少會湮滅併產生等量的粒子和反粒子。”

該團隊的這項研究對那些最受廣泛支持的暗物質候選者而言，或許是個壞消息，這使得科學家們在探索理解宇宙缺失質量的道路上又得重新開始。

儘管它們依舊是被假定用於解釋暗物質的主要嫌疑對象之一，可到目前爲止，弱相互作用大質量粒子還是讓人難以捉摸，實在令人沮喪。

“弱相互作用大質量粒子是一個由粒子物理標準模型的許多最小擴展所預測出的粒子家族，這個模型解釋了我們已知的粒子及其相互作用，”德拉託雷·盧克說道。“它們從未被觀測到，但它們是暗物質的絕佳候選者，因爲它們是中性的，並且可以在早期宇宙中通過類似於產生已知粒子的機制產生。”

弱相互作用大質量粒子（WIMPs）與標準模型中其他粒子之間的微弱相互作用意味着，它們或許避開了我們當下所有可能的實驗探測。

所以，如果它們構成了暗物質，到現在都還沒被直接檢測出來。WIMPs 會跟暗物質一樣，通過引力相互作用。這一點特別重要，因爲正是暗物質的引力相互作用，才讓科學家推斷出了它的存在。

關於暗物質，有一個懸而未決的問題，那就是構成它的粒子會不會相互湮滅。湮滅指的是當一個物質粒子遇到其反物質對應物時發生的情況，它們會相互摧毀。例如，當一個電子遇到其反粒子——正電子時，兩者會湮滅，其組成的能量會釋放回宇宙。暗物質被認爲在其罕見的自身相互作用時會“自我湮滅”。

“預計 WIMPs 會湮滅，產生等量的粒子和反粒子對，”德拉託雷·盧克說。“雖然我們預計通過我們已知的那些過程，在星際介質中產生的反粒子數量特別少，但是因爲我們知道暗物質滲透了咱們的整個宇宙，而且 WIMPs 是我們擁有的暗物質的最佳候選對象，所以人們能夠預期在星系中由這些 WIMPs 產生大量的反粒子。”

該團隊研究了宇宙射線中氦和反氦的反粒子，試圖找到 WIMP 湮滅的特徵。與“普通”氦原子一樣，反氦可以有三個或四個中子。這意味着它有兩種同位素：反氦-3 和反氦-4。

國際空間站（ISS）上的阿爾法磁譜儀（AMS）02 實驗最近在宇宙射線中發現了數量非常相似的反氦-3 和反氦-4。宇宙射線在撞擊並穿過星際介質時本身可以產生反粒子。然而，在宇宙射線中檢測到的反氦數量遠遠高於僅依據宇宙射線粒子產生反核情況所做出的估計值。

該團隊探究了 WIMP 這種暗物質候選者能否解釋這種反物質的過量現象。

“雖然我們的預測顯示，在較爲樂觀的計算情況下，我們能夠用作爲暗物質的 WIMP 來解釋對反氦-3 的觀測結果，但我們預計 WIMP 產生的反氦-4 的數量必須少得多。實際上，要少 1000 倍，因爲它比反氦-3 重，”德拉託雷·盧克說。“我們發現 WIMP 無法輕易解釋這些觀察結果，要解決這個謎團，我們需要更奇特的暗物質模型。”

雖然這一開始看起來可能是個壞消息，但將 WIMP 視爲滿足暗物質所有要求的“神奇粒子”的觀點，致使許多其他粒子模型被有效地捨棄。

其中一些 WIMP 的替代方案如今或許又被擺上了檯面，非粒子的解釋也是如此，比如認爲暗物質可能由在大爆炸期間產生的亞原子大小的“原始黑洞”組成。

“如果這種反核的產生源自星系中的一種未知粒子，”德拉託雷·盧克總結道。“如果我們發現這種粒子應當具備十分特殊的性質才能夠產生反氦，”德拉託雷·盧克總結道。“如果我們發現這種粒子能夠解釋目前有關暗物質的所有觀測結果，並且它能夠躲開在粒子加速器上針對新粒子的所有當下的研究，這將是一個很好的暗物質候選者，而反氦的探測可能是我們研究它的唯一途徑。”

該團隊的研究於 10 月 4 日發表在《宇宙學與天體粒子物理學雜誌》上。