解释暗物质与可见物质起源有了统一模型

2010-12-21 11:02 来源: 中国科学院
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  尽管科学家用了精确的宇宙测量方法,但据目前所知,宇宙能量中仅有约4.6%是由重子物质(正常原子)构成,23%由暗物质构成,剩下约72%由暗能量构成。而且,在可见宇宙中,几乎所有的重子物质都是物质(重子带正电荷)而不是反物质(重子带负电荷)。物理学家最近提出了一种新机制,能同时解释宇宙中的重子不对称和暗物质密度。

  提出新机制的研究小组包括美国纽约布鲁克海文国家实验室和英属哥伦比亚大学的科学家,研究发表在最近出版的《物理评论快报》上。他们称这种新机制为“原质起源论”(hylogenesis)。

  英属哥伦比亚大学克里斯·西格森说:“我们正在努力把理论物理中的两个问题一起解释。这一机制将原子形成和暗物质联系在一起,有助于解开重子不对称的秘密,作为对整个暗物质加可见重子的平衡宇宙的一种重建。”

  根据研究人员构建的机制,在物质形成景象中,早期宇宙产生了一种新粒子X和它的反粒子X-bar(带等量相反电荷)。X和X-bar在可见部分能结合成为夸克(重子物质的基本组成,如质子和中子),在“隐匿”部分组成了粒子(由于这种粒子可见部分的相互反应是微弱的),如此,在大爆炸开始后的第一时刻,宇宙膨胀变热时会有X和X-bar产生。

  随后,X和X-bar会衰变,部分变成可见的显重子(尤其是中子,由一个上夸克和两个下夸克组成),部分变成不可见的隐重子。据科学家解释,X衰变成中子的频率比X-bar衰变成反中子的频率更高,同样地,X-bar衰变为隐反粒子的频率比X衰变为隐粒子的频率要高。夸克形成的重子物质组成了我可见物质,隐反重子形成了我们所说的暗物质。这种阴—阳衰变方式使得可见物质的正重子数量和暗物质的负重子数量达到平衡。

  英属哥伦比亚大学特里姆研究中心的肖恩·图林说:“可见物质和暗物质的能量密度非常接近(1/5的不同)。在许多情况下,在广大宇宙的早期,生成可见物质和暗物质的过程是互不相关的。于是,这1/5的因素要么是早期出现的一个大偶然,要么是两种物质共同起源的重要线索。我认为,这为构建可见物质与暗物质起源的统一模型提供了主要依据。”

  物理学家预测,这种物质形成机制将为寻找暗物质提供一个全新途径,它们会留下一些可在实验室探测到的特征标记。科学家解释说,当暗物质反粒子和一个普通原子粒子相撞而湮灭时,就会产生爆发的能量。尽管这非常稀有,但在地球上寻找质子自发衰变的实验中,能探测到暗物质。

  在天体物理学观测和离子加速器数据中,也可能会出现其他原质起源的信号。研究人员表示,今后也会在研究中考虑这些可能性。