有趣的暗物质理论

　　尽管我们这个时代一些最伟大的知识分子进行了大量复杂的实验和贡献，但对暗物质的探索仍在继续。它可能占宇宙能量密度的四分之一，但迄今为止，所有直接探测的尝试都被证明是徒劳的。
　　神秘物质不吸收或发光。它也不与自然界的四种基本力中的三种相互作用。这些难以捉摸的特性使其几乎无法确定。
　　全球的研究人员都渴望揭开暗物质的奥秘——从在大型强子对撞机 (LHC) 上寻找 WIMP 到华盛顿大学的尖端轴子探测器。虽然一些理论预测答案将在一个额外的隐藏维度中找到，但其他人更喜欢黑洞和中子星。
　　尽管缺乏直接证据，但绝大多数天体物理学家仍然相信暗物质存在。除非存在隐藏的物质形式，否则像星系旋转这样的宇宙现象无法通过传统物理学来解释。 10 弱交互大质量粒子 (WIMP)
　　几十年来，暗物质最受欢迎的候选者一直是弱相互作用大质量粒子（WIMP）。假设粒子最初是在 1970 年代作为传统粒子物理学标准模型的扩展而提出的。该理论认为，宇宙中充满了不可见的、带中性电荷的粒子，这些粒子是在大爆炸后不久形成的。
　　不可见粒子的想法并不是什么特别新鲜的东西。科学家们已经意识到中微子——一种难以探测的亚原子粒子，它在质量略高于零的星系中奔跑。相比之下，人们认为 WIMP 更重、更迟钝，以密集的团块和复杂的结构在天空中跋涉。也就是说，如果它们甚至存在。
　　尽管进行了大量实验，但寻找 WIMP 的尝试都没有成功。最初认为日内瓦的大型强子对撞机将能够揭示它们的存在。但在它开放近十年后，没有找到任何证据。同样，深埋在南达科他州地下的高度敏感的液态氙气罐在他们的搜索中也一无所获。
　　由于科学家不断未能直接探测到这些粒子，围绕 WIMP 的假设现在受到严重质疑。一位为 福布斯杂志 撰稿的天体物理学家将持续的搜索比作＂醉汉在灯柱下寻找丢失的钥匙＂。
　　完全排除 WIMP 将是一种疏忽。但看起来科学家们必须回到绘图板并考虑暗物质的替代理论。 9 大型天体物理致密光晕天体 (MACHO)
　　对暗物质的另一个不太奇特的解释是存在巨大的天体物理致密晕天体 (MACHO)。这些包括黑洞、中子星和棕矮星——由普通物质组成的超紧凑恒星物体。使用典型方法无法检测到 MACHO，因为它们发出很少或不发出辐射。
　　取而代之的是，通过称为微透镜的过程研究来自遥远恒星的光来观察这些沉默的巨星。由于它们巨大的质量，MACHO 会弯曲并聚焦光线，从而使光线看起来更亮。
　　失真程度取决于 MACHO 的质量。通过观察光线，科学家们能够计算出隐藏物质的数量。然而，没有发现足够多的 MACHO 潜伏在宇宙中的所有暗物质中。因此，继续寻找另一名候选人。
　　8轴心
　　预计轴子是带中性电荷、运动缓慢的粒子，质量比电子轻约 10 亿倍。它们与光和其他物质的相互作用相对较弱，这让宇宙学家对它们构成暗物质的潜力充满信心。但这也使它们难以被发现。
　　只有质量范围很窄的轴子才能构成暗物质。如果它们更轻或更重，那么现在就可以进行观测了。这种有限的可能性窗口意味着与其他候选者相比，判定轴子假设的进入或退出任务相对简单。
　　探测轴子的最新尝试始于 2018 年 4 月，当时华盛顿大学的天体物理学家启动了轴子暗物质实验 (ADMX)。根据该理论，当轴子穿过磁场时，它们可以自发地衰变成两个光子（单独的光包）。
　　如果来自银河系的轴子在不被注意的情况下不断在地球上呼啸而过，那么 ADMX 的强大磁体会将其中一些转化为微波光子。一个非常灵敏的探测器可以检测产生的任何光子，但到目前为止，还没有报告任何证据。 7 格拉维蒂诺
　　重力假说深入研究理论物理领域。在 1960 年代和 1970 年代，科学家们发展了超对称理论来解释粒子物理学标准模型留下的一些空白。
　　超对称性预测，对于标准模型中的每个粒子（例如，电子、光子、希格斯粒子），都应该有一个理论对应物。除了固有角动量的一些根本差异之外，这些伙伴粒子与原始粒子具有相似的特性。
　　一个单独的理论预测引力子的存在——一种无质量的粒子，介导重力，类似于光子介导电磁。将这两种理论结合在一起就是引力子——一些物理学家认为可以构成暗物质的引力子的假设超对称伙伴。
　　6 Kaluza-Klein 粒子
　　据说我们的宇宙由四个维度组成——三个空间维度加上时间。然而，在上个世纪，科学家们一直在思考是否还可以存在更多。
　　理论家西奥多·卡鲁扎 (Theodor Kaluza) 和奥斯卡·克莱因 (Oskar Klein)扩展了爱因斯坦开创性的广义相对论理论，预测了一个隐藏的第五维度横跨宇宙。他们的模型于 1921 年首次发表，包括一系列假设粒子，其中最轻的粒子可能是暗物质的候选者。
　　由于它们的交互性，Kaluza-Klein (KK) 粒子是少数可以直接检测到的候选粒子之一。此外，当两个 KK 粒子碰撞在一起时，它们会相互湮灭。
　　在混战中，像光子和中微子这样的粒子被发射出去。由于它们独特的能量模式，它们可以被检测到。高能 LHC 继续寻找额外维度和 KK 粒子的证据。但到目前为止，还没有任何报道。 5 模糊暗物质
　　模糊暗物质是暗物质候选阵容中的一个相对较新的成员。该理论首先在世纪之交开始受到关注。在此之前，只有少数的口袋物理学家感兴趣，即使这样，他们几乎没有相互连通。
　　因此，模糊暗物质有几个不同的名称，每个名称都由不同的研究团队独立提出。标量场暗物质、超轻轴子状粒子、波动暗物质、流体暗物质和排斥性暗物质只是少数。
　　尽管名称众多，但理论大体相同。他们假设暗物质是由大量质量极低的微小粒子形成的。在极低的温度下，这些粒子会聚结形成一种奇异的物质，称为玻色-爱因斯坦凝聚。在凝聚态中，这些粒子几乎没有能量，表现得像一个有凝聚力的物体。
　　单个粒子对其周围环境几乎没有影响。然而，它们集体可以扭曲星际光线。失真量取决于暗物质粒子的质量。因此，科学家们能够通过检查来自新墨西哥州超长基线阵列等天文台的档案数据来寻找模糊暗物质。
　　4 自相互作用暗物质
　　围绕暗物质的主要挫折之一是它拒绝服从科学家的预测。根据计算机生成的模型，物质应该将自身构造成一种称为＂尖点分布＂的东西。这个理论预测暗物质可以在星系的中心找到，其中一些集中在一个致密的球体中，其余的则以蒸气的形式徘徊在周围。
　　实际上，宇宙学家已经观察到暗物质的行为方式几乎相反：它以遥远的光晕结构围绕星系边缘运行。这被称为＂核心发行版＂。由此产生了＂尖核＂问题。
　　为了解释尖核的差异，科学家们提出了自相互作用暗物质的理论。这个模型提出，由于它是如此神秘和难以理解，暗物质粒子通过物理学目前无法解释的力相互作用。
　　然而，并不是每个人都同意这种解释。另一种理论——暗物质加热——表明暗物质是由恒星形成过程中产生的能量和风从星系中心推动的。 3 无菌中微子
　　中微子研究是当代物理学最引人入胜的领域之一。2015 年，Takaaki Kajita 和 Arthur B. McDonald因证明中微子在穿越宇宙的旅程中周期性地改变＂味道＂而获得诺贝尔物理学奖。
　　目前，只有三种已知的中微子＂味道＂——电子、介子和 tau。所有这些都太快了，无法组成暗物质。然而，伊利诺伊州费米实验室的研究人员正在寻找第四种味道和潜在的暗物质候选者：无菌中微子。
　　他们的 MiniBooNE 实验穿过强烈的粒子束，寻找难以捉摸的第四种味道。探测器由一个装有 800 多吨矿物油的大型球形罐组成。2018 年，MiniBooNE 产生了令人鼓舞的结果，暗示了惰性中微子的存在。然而，2019 年报告的 MINOS+ 实验结果与 2018 年的研究相矛盾。显然，目前还没有达成共识。
　　2 暗光子
　　如前所述，光子充当单个光粒子并调节电磁力，这是自然界的基本力之一。为了解释暗物质的难题，一些专家提出了暗光子的概念——一种类似于具有极低质量的常规光子的假设力介体。
　　事实上，一些研究人员认为，引力波——空间和时间结构中的天体涟漪——可能是揭示这些微小粒子的关键。如果暗光子潜伏在宇宙周围，它们的独特信号可以被 LIGO 和 Virgo 等高度敏感的引力波探测器探测到。
　　当科学家们热切期待激光干涉仪太空天线（LISA）——第一个天基引力波天文台——的发射时，我们似乎离最终确定暗物质又近了一步。 1 暗物质不存在
　　随着时间的推移，任何候选人都缺乏证据，这让一些物理学家怀疑他们是否犯了错误。也许暗物质根本不存在。也许毕竟还有另一种解释。
　　最著名的暗物质怀疑论者之一是以色列物理学家莫德海·米尔格罗姆，他在 1980 年代首次提出了他的对立的修正牛顿动力学（MOND）理论。在他特立独行的论文中，米尔格罗姆认为艾萨克·牛顿提出的传统物理学开始在极大的范围内瓦解。
　　如果这是真的，它将彻底改变当前对星系外围恒星的看法。在 MOND 下，暗物质不需要解释它们的异常运动。
　　那么，暗物质是一个巨大的错误吗？
　　这不是物理学家第一次犯如此大的错误。在 19 世纪，人们普遍认为我们的宇宙充满了一种称为发光以太的无形物质。
　　几十年来，人们认为光线传播需要以太。然后，1887 年的关键迈克尔逊-莫雷实验从根本上否定了它的存在。对此，米尔格罗姆将暗物质描述为＂我们这一代的以太＂。
　　暗物质是否存在以及以何种形式存在仍然是现代科学的一大谜团。未来的证据可能表明这里列出的所有理论都是完全错误的。
　　另一方面，我们可能距离重大突破仅差一毫。随着每一个新的暗物质探测器和每一个空结果，我们离找到真相更近了一步。