制造暗物質(zhì)

■ 陳壯叔

看到這個標題，你不要以為這是科幻，而是實實在在發(fā)生的事情：意大利的一些科學家感到，既然捕捉暗物質(zhì)那么困難，倒不如在實驗室來制造它。

21世紀初，美國航空航天局用分辨率更高的威爾金森微波各向異性探測器，對宇宙微波背景輻射再一次做了更精確的探測。所謂微波背景輻射，是來自宇宙空間背景上的各向同性的微波輻射，產(chǎn)生于宇宙創(chuàng)生大爆后約30萬年的時刻，當時的宇宙空間皆游漫著微波之霧，空間還不透明。此后，隨著宇宙的膨脹而冷卻，物質(zhì)跟電磁輻射才告分離，空間才呈透明。

現(xiàn)在人們?nèi)ヌ綔y它又為了什么呢？這是因為在這微波背景上，反映出當時宇宙的物質(zhì)和能量的分布狀態(tài)。最近的這一探測結(jié)果，使許多人大吃一驚，原來我們宇宙組成的大部分都是我們很陌生的東西，其中暗能量占70%、暗物質(zhì)占25%，而我們熟悉的普通物質(zhì)僅占5%。

暗能量是什么東西？即使對科學家來說，也只是在20世紀90年代晚期才面臨的新事物，而對宇宙性暗物質(zhì)的研究，遠在30余年前已開始了。當時的說法很多，最炙人口的候選者是某種類型的中微子，以后物理學家又提出了軸子。它們的質(zhì)量都很輕，皆為亞原子粒子，科學家花了很長時間的努力企圖捕捉它們，但皆以失敗而告終。

在此情況下，意大利的一些科學家另辟蹊徑。他們說：“我們?nèi)嶒炇依镏圃?，不是更好嗎？以喬瓦尼·坎塔托里為首的研究小組（意大利國家核物理研究所）就這樣做了。”

據(jù)說實驗已告成功，可是坎塔托里卻高興不起來，從表面來看，他應該歡慶才對呀!他的小組已成功地生產(chǎn)出暗物質(zhì)，以前，還沒有人打算看到如此大量的暗物質(zhì)粒子，捕捉到它已是一個不小的突破，更何況在實驗室內(nèi)制造出來呢。

坎塔托里小組創(chuàng)制的粒子就是上面提到的軸子，但它的觀測特性卻跟理論不一。若按此特性，那么早在幾十億年之前，太陽的能量就該被它們吸干了，明顯這不符合事實。

按目前的標準理論，在大爆炸早期，當光子相互碰撞的時刻，可能產(chǎn)生了軸子。理論家最初提出軸子，是為了彌補強力（把原子內(nèi)的核子粘在一起）理論的某些裂縫。后來，他們又發(fā)現(xiàn)軸子可能填補宇宙學中的一個大洞：它是最輕的粒子之一，且數(shù)量巨大，因此，它就成了解釋宇宙中缺失質(zhì)量之謎的最佳候選者之一。

坎塔托里的實驗室在意大利策斯梯附近，可以毫不夸張地說，這是世界上第一個暗物質(zhì)工廠。

在這個軸子制造實驗上，坎塔托里的同事伊米利奧·扎瓦蒂尼是設計師，整個實驗思想是他提出的。幾十年前，他就談到制造軸子的事宜。他說，若軸子是光子相互作用的產(chǎn)物，那么可用激光通過磁場的方法來試制。他認為，將一束激光射入一個磁場中，如果光子真的能相互作用而產(chǎn)生軸子，那么，少數(shù)極性與磁場平行的激光光子就有一個轉(zhuǎn)化成為軸子的機會。軸子一旦產(chǎn)生便會逃逸，但是那些轉(zhuǎn)化造成的光子損耗會使整個激光束的極性發(fā)生偏轉(zhuǎn)。而他們要找的，正是這個極化偏轉(zhuǎn)。

那么坎塔托里為何不安呢？問題在于這個偏轉(zhuǎn)量太大了。這意味著，實驗產(chǎn)生了很多的軸子，比理論預言的大得多。因此，科學家認為，坎塔托里小組產(chǎn)生的可能是一種變種軸子，其特性跟理論相去甚遠。

首先，這種新粒子的特性并不能解決有關強力的問題。物理學家設想出軸子，原先就是為了解決一個量子色動力學方面的難題的。這個理論很重要，它可以描述夸克（質(zhì)子和中子的組成物）和膠子的行為，正是膠子把質(zhì)子和中子拉在一起。若沒有軸子，其所涉及的膠子的反應將有差異，而這一點又取決于時間的走向（即走向未來或過去）?？墒窃趯嶒炛校瑥奈匆娺^時間有二種走向，這種變種軸子根本說明不了這些問題。

所有的觀測都表明，這種變種軸子不應該不存在。若軸子在實驗室中如此容易地產(chǎn)生，那么它不應該僅在大爆炸后不久才能形成，而應該在太陽核心的光子碰撞中大量生成。隨著軸子的直接飛出，進入深空，用不了幾千年，太陽的核能將被完全吸干。當然，對其他的星球也是如此。這樣，坎塔托里的變種軸子將使得宇宙變成一個暗黑的無生命的世界。

不過，坎塔托里并不認為自己的實驗有誤。他說：“現(xiàn)在我們只是報告說觀測到一個異樣的情況。你要記住，這可能是觀測器產(chǎn)生的效應?！睂嶋H上，他是在說，在觀測到的偏轉(zhuǎn)中有一個令人困惑的變化量，而他的小組難以解釋。但事實上，無論研究者如何去做（實驗），這個偏轉(zhuǎn)量較大的效應總是無法改變。

物理學家羅圣伯格（華盛頓大學）也在檢測軸子，他認為上述實驗可能隱含著什么。“雖然揮舞你的雙手來歡呼還為時尚早，但無視這個結(jié)果是愚蠢的?！?/p>

若這確是軸子，那么真的是一個怪物，無法放入粒子物理標準模型的框架之內(nèi)?；萜澘耍槭±砉W院的物理學家）參與撰寫首先預言軸子的文章，并因此搞清了量子色動力學中的一些問題。在他看來，坎塔托里的實驗結(jié)果“是一個顯著的大發(fā)現(xiàn)”。

有些人一直在強調(diào)和坎塔托里實驗跟其他證據(jù)之間的矛盾。一種看法來自西班牙巴塞羅那大學的曼蘇和策唐杜。他們認為，坎塔托里等測得的粒子，是一種尚未知悉的、由二個類夸克松散構(gòu)成的粒子。這種易碎的組成易于在坎塔托里實驗室的冷環(huán)境中形成，而不是在恒星核心或超新星的洶涌的“鍋爐”之中形成。因此，它們不會吸走星球的能量。曼蘇提出的復合粒子，幾乎是迄今研究者都想做出的解釋。雖然他的這個概念還相當混亂，這種粒子不僅需要新的組成粒子，還需要一種新的力，以把二者粘合。

即使這樣，該假設可能還是不行。據(jù)科茨拜（伯林斯頓高級研究所） 的看法，在太陽內(nèi)部可能是一種構(gòu)成軸子的全新粒子的熱。當你從中心向外運動，將感到溫度逐步下降，這些粒子將合成軸子。據(jù)他的計算，太陽的大量能量被軸子偷跑，這個數(shù)量大于被光子帶走的，而太陽還得忍受下去?？拼陌萏岢鲆环N易于構(gòu)成且不危及恒星安定的軸子，并借此設計理論模型以彌補上述問題，但他的全部嘗試皆告失敗。他說：“要想獲得一個能工作的模型，確非易事?！?/p>

也許物理學家必須接受，大自然就是乖戾的，但也可能正好不是，坎塔托里小組的測量可能完全是一個錯誤。曼利約諾斯就認為，坎塔托里的實驗結(jié)果只是一個幻景，實驗中存在某些缺陷。他說：“在我看來，這是極端錯誤的?！?/p>

那么曼利約諾斯的這種看法有何根據(jù)呢？他于20世紀80年代，在布魯克海文國家實驗室曾跟坎塔托里做過類似實驗，當時并未看到軸子信號，除非擁有比現(xiàn)在坎塔托里使用的更靈敏的儀器。因為當時布魯克海文的儀器只適于尋找小于0.8毫電子伏的軸子，而目前坎塔托里實驗能檢測到1毫電子伏的軸子，測得的軸子質(zhì)量剛好是它的上限，超出了布魯克海文的測量范圍。

要想解決這一矛盾，并證實變種軸子真的飛越在宇宙空間之中，最好的方法是做一種新的實驗，即光子再生實驗。它的簡單設計思想如下：把激光器（類似于坎塔托里實驗那種）、磁鐵、墻體和第二塊磁鐵置于一條直線上，然后發(fā)射激光束，它穿過第一個磁場后即被墻體所阻，無法飛向墻后的第二塊磁鐵；但有些激光光子轉(zhuǎn)變成軸子，而后者將毫無阻攔地穿過墻體，奔向第二塊磁鐵。

策拜盾說：“若上述坎塔托里的實驗結(jié)果是正確的話，那么每秒將有幾億顆類軸子粒子穿墻而去。”當它們再穿越第二個磁場時，其中的少數(shù)類軸子又會轉(zhuǎn)變成光子，并且具有同原先激光一樣的頻率。策拜盾說：“這將是這種粒子存在的不可辯駁的信號?！?/p>

現(xiàn)在，坎塔托里就在計劃進行光子再生實驗。而在2007年早期，就在德國漢堡的德國電子同步加速器實驗室里進行過一項獨立的測試；還有一些研究單位，諸如歐洲核子研究所以及幾家大學，也在計劃進行這一實驗。無論哪家實驗室，只要找到這種不可見光穿越墻體，都將成為一條爆炸性新聞。

物理學家將面臨一個新的課題，如何來解釋這個在理論上不可能存在的粒子卻得以出現(xiàn)？變種軸子這一實驗結(jié)果，將導致我們對大自然看法的根本改變，或者，來采取一種糟糕的態(tài)度，固守老的看法？