1.3　可能的暗物质

在没有真正了解和认识暗物质的时候，只好先假设一些可能的暗物质候选者，同时分别对其进行科学的确认。

暗物质天体

人们首先想到的是宇宙中的中子星[见图1.3.1（a））、白矮星（见图1.3.1（b））、褐矮星（见图1.3.1（c）和黑洞（见图1.3.1（d））]等暗物质星体，它们都是质量大而致密晕的天体，其组成类似质子、中子，属重子类的暗物质。恒星演化到末期，经由重力崩溃发生超新星爆发后，根据质量的不同，整个恒星被压缩为白矮星、中子星以至黑洞。它们的体积不大但物质密度很大，引力极强，以致光线都逃离不了其星体表面。由于光线无法逃离，我们用望远镜等也无法看到它们，所以这类天体是暗的。可惜，目前观察到的这些星体的数目不多，它们的质量总和也太小，即使它们是暗物质，也远不能解释宇宙中如此大的暗物质份额，也不能解释在星系的整个空间中所弥漫的暗物质。

图1.3.1　可能是暗物质的天体

（a）中子星；（b）白矮星；（c）褐矮星照片；（d）黑洞

暗物质粒子

我们对暗物质的另一个猜想是暗物质粒子，并假设这些粒子既可以存在于广袤的太空中，也有结合成暗物质天体的可能。所谓广泛分布在宇宙中的暗物质粒子，可能是宇宙形成初期产生的寿命极长的粒子。这些粒子与重子类暗物质天体不同，属非重子类的暗物质粒子。一类暗物质粒子是宇宙形成初期、温度还很高的时候形成的粒子，其速度接近光速，属相对论型的暗物质粒子，有时也称之为“热”暗物质粒子，如质量很小的中微子等。另一类是宇宙形成较晚时候的暗物质粒子，是速度较慢的粒子，称为“冷”暗物质粒子，如轴子，WIMP粒子等。当然，也可猜想有中等速度的、不冷不热的“温”暗物质粒子。图1.3.2中列出了暗物质的可能候选者，如中微子、轴子、WIMP粒子。

图1.3.2　暗物质可能的候选者

第4节会讲到，三种中微子都是已经被发现的常规粒子，是目前基本粒子物理标准理论中的基本粒子。它们不带电，和其他粒子既无强作用也没有电磁作用，但有弱作用。这种与其他粒子作用很弱、作用概率很小的粒子具备了暗物质粒子的特征。可惜其质量太小，每个粒子的质量甚至小于eV的量级。与普通质子或中子（质量约为109eV）相比，相差9个量级。这难以解释宇宙中如此大比例的质量。另外，如此轻的中微子，即使能量不高的中微子也在接近光速运动，这个运动速度实在是太快了，以致根本无法聚集在一起形成任何类型的星系或星系团。所以中微子不大可能是主要的暗物质成分。

轴子（Xion粒子）是20世纪70年代为解决强相互作用理论的时间不对称问题所提出的物理模型中一个假想的粒子，但直至目前还没有被实验证实。理论预言的轴子质量在10−6 ～10−2eV范围内，质量比中微子还要小得多。轴子之间的作用很弱，诞生于宇宙温度较低的状态，速度也不高，有可能彼此吸引而聚集在一起。如此低质量的粒子，也很难是暗物质粒子主要的成分。

那么，哪些粒子才是构成宇宙暗物质的主要成分呢？人们将注意力转向弱作用大质量粒子（week interaction massive particle, WIMP）。

特别关注的WIMP粒子

WIMP是假设和普通粒子具有弱作用并且质量较大的粒子。这显然是一种很宽泛的说法，没有严格定义WIMP到底是什么粒子。但是我们可以认为：第一，WIMP的质量可能比普通粒子（如质子、中子等）的质量大很多，第二，WIMP不带电，没有电磁作用，也没有像普通核子之间的强作用，它们几乎与普通物质粒子不发生相互作用；第三，即使WIMP与普通物质粒子发生相互作用，也是很弱的作用——可能是基本粒子标准理论中的弱作用，也可能是我们还不了解的另类弱作用。另外，理论认为WIMP产生于宇宙初始阶段。它们有较大的质量，在宇宙中运动的速度缓慢，有可能聚集成团。随着宇宙膨胀并逐渐变冷，WIMP相互远离，最后它们无法再相遇并发生湮灭反应从而存活下来。WIMP被认为是最有可能的“冷暗物质”候选者。当然，也有可能有质量较小、速度较快的粒子，那将是“热暗物质”或“温暗物质”的候选者。

基于WIMP性质所构造的宇宙学模型与天文实验观测有较好的符合，由WIMP弱作用的相互作用概率和统计物理的退耦理论推算出的数值与实际观察值差不多，尤其是WIMP和粒子物理中某些理论模型预言的粒子特性相似，这些都成为把WIMP作为暗物质粒子主要候选者的重要原因。另外，从实验探测技术的角度出发，WIMP粒子似乎也是比较容易观察到的粒子。

虽然目前还没有完全通过实验证实WIMP的存在，人们还是希望WIMP是一种大质量的特殊“中微子”，它与普通粒子之间可能有我们已经了解的弱相互作用，我们更加希望WIMP是粒子物理“超对称理论”中所梦寐以求的超对称（supersymmetry, SUSY）粒子等。