如果暗物质来自镜像宇宙怎么办？
关键要点 加州大学圣克鲁斯分校 Stefano Profumo 教授最近的两项研究提出了一些理论，试图回答现代物理学中最基本的悬而未决的问题之一：暗物质的粒子性质是什么？ Science 已经提供了压倒性的证据，证明占宇宙所有物质 80% 的神秘物质的存在。 暗物质的存在解释了是什么将星系联系在一起并使它们旋转。 调查结果，例如宇宙的大尺度结构和宇宙微波背景的测量也证明，一些尚未确定的东西渗透到所有这些黑暗中。 仍然未知的是暗物质的起源，因此它的粒子特性是什么。 这些沉重的问题主要落在像普罗富莫这样的理论物理学家身上。 在最近的两篇论文中，他从不同的方向处理了这些问题，但都集中在暗物质可能已经出现的想法上自然来自非常早期宇宙的条件——而不是暗物质是一种以某种可检测的方式与普通物质相互作用的奇异新粒子。 阴暗起源 最新研究于 7 月 8 日发表，探讨了暗物质是否可能形成于一个隐藏的区域——一种具有自己版本的粒子和力的“镜像世界”。 虽然人类完全看不见，但这个阴影区域会遵循许多与已知宇宙相同的物理定律。 这个想法从量子色动力学 （QCD） 中汲取灵感，该理论描述了夸克如何通过强核力在质子和中子内部结合在一起。 加州大学圣克鲁斯分校在这一领域有着深厚的根基：名誉物理学教授迈克尔·戴恩（Michael Dine）帮助开创了涉及QCD轴子的理论模型，QCD轴子是一种领先的暗物质候选者，而研究教授阿部·塞伊登（Abe Seiden）则为探索强子（由夸克组成的粒子）结构的重大实验工作做出了贡献。高能物理实验。 在 Profumo 的新工作中，强力在暗区被复制为一种限制性的“暗 QCD”理论，它自己的粒子——暗夸克和暗胶子——结合在一起形成称为暗重子的重复合粒子。 在早期宇宙的某些条件下，这些暗重子可能会变得足够致密和质量，以至于在自身引力的作用下坍缩成极小、稳定的黑洞——或者行为非常像黑色的物体孔。 这些类似黑洞的残余物仅比量子引力的基本质量尺度（称为“普朗克质量”）重几倍，但如果以正确的数量产生，它们可以解释今天观测到的所有暗物质。 因为它们只能通过引力相互作用，所以粒子探测器完全看不见它们——但它们的存在将在最大尺度上塑造宇宙。 此方案提供了一个新的、可测试的框架在成熟的物理学中，同时扩展了加州大学圣克鲁斯分校对深刻理论原理如何帮助解释宇宙学中最大的悬而未决的问题之一的长期探索。 即将到来 Profumo 最近于 5 月发表的另一项研究探讨了暗物质是否可能由宇宙不断扩大的“宇宙视界”产生——本质上，宇宙学相当于黑洞的事件视界。 本文询问，如果宇宙经历了短暂的时期膨胀后加速膨胀——没有膨胀那么极端，但仍然比辐射或物质允许的膨胀速度更快——那个相本身会“辐射”粒子存在吗？ 本文利用弯曲时空中量子场论的原理，表明这种机制可能会产生各种暗物质质量，具体取决于该相的温度和持续时间。 重要的是，Profumo 表示这不需要任何假设暗物质如何相互作用，只是它是稳定的并且是受引力产生的。 这个想法的灵感来自于宇宙地平线附近的观察者（如黑洞的观察者）感知量子效应引起的热辐射的方式。 “这两种机制都是高度推测性的，但它们提供了独立且可计算的场景，不依赖于传统的粒子暗物质模型，而传统的粒子暗物质模型越来越受到零实验结果的压力，”副主任 Profumo 说圣克鲁斯粒子物理研究所的理论。 可以说普罗富莫写了这本书，旨在了解暗物质的本质。 他2017年的教科书粒子暗物质简介介绍了他个人在研究工作中学到和使用的经验教训，这些经验来自科学家多年来为构建和测试暗物质粒子模型而开发的最先进技术。 该书将“暗物质范式”描述为“关键发展之一”在宇宙学和基本粒子物理学的界面上“，适用于任何对暗物质的微观性质感兴趣的人，因为它体现在粒子物理实验、宇宙学观测和高能天体物理现象中。 与加州大学圣克鲁斯分校的连接 几十年来，这里的研究人员在宇宙学中发挥了关键作用，为标准 Lambda-冷暗物质模型的开发做出了贡献——仍然是最适合所有宇宙学数据的模型——以及对宇宙中结构如何形成的理论和观察研究。 此外，加州大学圣克鲁斯分校长期以来一直支持理论与观测之间的密切相互作用，在粒子物理学、天体物理学和早期宇宙宇宙学方面具有优势。 Profumo 表示，这些最近的出版物延续了这一传统，探索将粒子物理学中最深层的问题与宇宙的大规模行为联系起来的想法。 “他们这样做的方式仍然植根于已知的物理学——无论是弯曲时空中的量子场论，还是经过充分研究的 SU（N） 规范理论的特性——同时将它们扩展到新的领域，“他说。 这两项研究都发表在物理评论D，美国物理学会理论粒子物理学的首要场所。