如果暗物质来自镜像宇宙会怎么样

• 一种理论提出，存在一个隐藏的物理领域，它拥有自身的粒子和力版本，该领域诞生了微小的、稳定的类黑洞物体，这些物体可以解释当今观测到的所有暗物质。
• 另一种理论探讨暗物质是否可能是宇宙自身膨胀的产物，由宇宙视界附近的量子辐射在短暂但剧烈的暴胀后阶段所产生。
• 两种理论都提供了基于已知物理学的、可提供了基于已知物理学的、可检验的、自洽的框架，延续了加州大学圣克鲁兹分校将粒子理论与宇宙尺度现象联系起来以解决科学最大谜题之一的传统。

加州大学圣克鲁兹分校的斯特凡诺·普罗富莫（Stefano Profumo）教授最近的两项研究提出了试图回答现代物理学中最基本的未解问题之一的理论：暗物质的粒子本质是什么？

科学已经提供了压倒性的证据，证明这种占宇宙总物质80%的神秘物质是存在的。暗物质的存在解释了是什么将星系束缚在一起并使其旋转。诸如宇宙大尺度结构等发现以及对宇宙微波背景辐射的测量也证明，某种尚未确定的东西渗透在所有的黑暗之中。

未知的是暗物质的起源，因此，它的粒子属性是什么。这些重大的问题主要落在了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，他从不同方向探讨了这些问题，但都围绕着一个核心观点：暗物质可能是从极早期宇宙的条件中自然涌现出来的——而不是暗物质作为一种奇异的新粒子以某种可探测的方式与普通物质相互作用。

隐秘的起源

最近发表在7月8日的研究探讨了暗物质是否可能形成于一个隐藏区域——一种拥有自身粒子和力版本的“镜像世界”。虽然对人类完全不可见，但这个暗影区域会遵循与已知宇宙相同的许多物理定律。

这个想法从量子色动力学（QCD）中汲取了灵感，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。加州大学圣克鲁兹分校在这一领域有着深厚的根基：荣休物理学教授迈克尔·戴恩（Michael Dine）帮助开创了涉及QCD轴子（一种主要的暗物质候选者）的理论模型，而研究教授阿贝·赛登（Abe Seiden）则在高能物理实验中为探索强子（由夸克组成的粒子）结构的重要实验工作做出了贡献。

在普罗富莫的新工作中，强相互作用在暗区中被复制为一种禁闭的“暗量子色动力学”理论，拥有自身的粒子——暗夸克和暗胶子——它们结合在一起形成被称为暗重子的重复合粒子。在早期宇宙的特定条件下，这些暗重子可能变得足够致密和巨大，以至于在自身引力作用下坍缩成极其微小、稳定的黑洞——或者行为非常类似黑洞的物体。

这些类黑洞遗迹的质量仅比量子引力的基本质量尺度（称为“普朗克质量”）重几倍，但如果以合适的数量产生，它们可以解释当今观测到的所有暗物质。因为它们只通过引力相互作用，所以对粒子探测器来说是完全不可见的——然而它们的存在会在最大尺度上塑造宇宙。

这一情景提供了一个新的、可检验的框架，它植根于完善的物理学，同时延续了加州大学圣克鲁兹分校长期以来对深奥理论原理如何帮助解释宇宙学中最大未解问题之一的探索。

在视界上

普罗富莫的另一项近期研究发表于五月，探讨了暗物质是否可能由宇宙膨胀的“宇宙视界”产生——本质上，这是黑洞事件视界的宇宙学对应物。

该论文提出，如果宇宙在暴胀之后经历了一个短暂的加速膨胀期——其剧烈程度不如暴胀，但仍比辐射或物质所允许的膨胀速度更快——那么这个阶段本身是否可能“辐射”产生了粒子？

利用弯曲时空中的量子场论原理，该论文表明，根据此阶段的温度和持续时间，这种机制可以产生大范围质量的暗物质。重要的是，普罗富莫说这不需要对暗物质如何相互作用做任何假设，只需假设它是稳定的且通过引力产生。这个想法的灵感来源于观察者在宇宙视界（如黑洞视界）附近由于量子效应而感知到热辐射的方式。

“这两种机制都极具推测性，但它们提供了自洽且可计算的场景，不依赖于传统的粒子暗物质模型，而这些模型正日益受到无效实验结果的压力，”圣克鲁兹粒子物理研究所理论副主任普罗富莫说。

可以说莫说。

可以说，普罗富莫撰写了关于探索暗物质本质的权威著作。他2017年的教科书《粒子暗物质导论》（<粒子暗物质导论》（An Introduction to Particle Dark Matter）呈现了他个人从研究中学习并运用的知识，这些知识来源于科学家们多年来为构建和检验暗物质粒子模型所开发的最先进技术。

该书将“暗物质范式”描述为“宇宙学和基本粒子物理学交叉领域的关键进展之一”，旨在面向所有对暗物质微观本质感兴趣的人，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。

与加州大学圣克鲁兹分校的联系

这里的研究人员几十年来在宇宙学领域发挥了关键作用，为标准Lambda-冷暗物质模型（Lambda-Cold Dark Matter model）的发展做出了贡献——该模型至今仍是与所有宇宙学数据最吻合的模型——并参与了宇宙结构形成的理论和观测研究。此外，加州大学圣克鲁兹分校长期以来一直支持理论与观测之间的紧密互动，在粒子物理学、天体物理学和早期宇宙学方面具有优势。

普罗富莫表示，这些近期的出版物延续了这一传统，探索了将粒子物理学最深奥的问题与宇宙大尺度行为联系起来的想法。“它们以一种仍然植根于已知物理学的方式做到这一点——无论是弯曲时空中的量子场论，还是经过充分研究的SU(N)规范理论的性质——同时将它们扩展到新的前沿领域，”他说。

这两项研究均发表在《物理评论D》（Physical Review D）上，这是美国物理学会（American Physical Society）理论粒子物理学的顶级期刊。