如果暗物质来自一个镜像宇宙会怎样

• 一种理论提出存在隐藏的物理领域，其拥有自身的粒子和力版本，这些元素催生了微小而稳定的类黑洞物体，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创造。
• 两种理论都基于已知物理学提供了可测试、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的传统，以解决科学界最大的谜题之一。

加州大学圣克鲁兹分校斯特凡诺·普罗富莫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开放问题之一的理论：暗物质的粒子本质是什么？

科学已经提供了压倒性证据，证明这种占宇宙总物质80%的神秘物质确实存在。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和宇宙微波背景辐射测量等发现也证明，某种尚未确定的东西渗透在所有这些黑暗之中。

仍然未知的是暗物质的起源，以及它的粒子特性。这些重大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，他从不同角度探讨了这些问题，但都围绕暗物质可能从早期宇宙的条件中自然涌现的观点——而不是暗物质作为一种奇异的新粒子以某种可检测的方式与普通物质相互作用。

隐秘的起源

7月8日发表的最新研究探讨了暗物质是否可能形成于一个隐藏的领域——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，但这个阴影领域将遵循与已知宇宙相同的物理定律。

这个想法从量子色动力学(QCD)中获得灵感，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：荣誉物理学教授迈克尔·戴恩帮助开创了涉及QCD轴子的理论模型，这是一种主要的暗物质候选者，而研究教授亚伯·塞登则为高能物理实验中探测强子（由夸克组成的粒子）结构的重大实验工作做出了贡献。

在普罗富莫的新工作中，强力在暗区被复制为一种限制性的"暗QCD"理论，拥有自己的粒子——暗夸克和暗胶子——结合在一起形成被称为暗重子的重复合粒子。在早期宇宙的某些条件下，这些暗重子可能变得足够密集和巨大，以至于在自身引力下坍缩成极其微小、稳定的黑洞——或行为很像黑洞的物体。

这些类黑洞残余物的质量仅比量子引力的基本质量尺度——即"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。因为它们只通过引力相互作用，所以对粒子探测器完全不可见——然而它们的存在将在最大尺度上塑造宇宙。

这一情景提供了一个基于完善物理学的、可测试的新框架，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开放问题的探索。

视界之上

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——本质上是黑洞事件视界的宇宙学对应物。

这篇论文提出，如果宇宙在暴胀后经历了一个短暂的加速膨胀期——比暴胀温和但仍比辐射或物质允许的速度更快——那么这个阶段本身是否可能"辐射"出粒子？

利用弯曲时空中量子场论的原理，论文表明这一机制可以产生大范围的暗物质质量，具体取决于这一阶段的温度和持续时间。重要的是，普罗富莫表示这不需要对暗物质如何相互作用做任何假设，只需要它是稳定的并且通过引力产生。这个想法的灵感来自于宇宙视界（如黑洞的视界）附近的观察者由于量子效应感知到热辐射的方式。

"这两种机制都高度推测，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，这些模型正日益受到无效实验结果的挑战，"圣克鲁兹粒子物理研究所理论副主任普罗富莫说。

可以说普罗富莫撰写了理解暗物质本质的探索之书。他2017年的教科书《粒子暗物质导论》呈现了他个人在研究中学习和使用的经验，这些经验来自科学家多年来开发和测试暗物质粒子模型的最先进技术。

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发展之一"，适合任何对暗物质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。

与加州大学圣克鲁兹分校的联系

这里的研究人员几十年来在宇宙学中发挥了关键作用，为标准Lambda-冷暗物质模型的发展做出了贡献——这仍然是所有宇宙学数据的最佳拟合——以及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支持理论与观测之间的紧密互动，在粒子物理、天体物理和早期宇宙学方面具有优势。

普罗富莫表示，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刻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，"他说。

这两项研究都发表在《物理评论D》上，这是美国物理学会理论粒子物理学的首要期刊。