加州大学圣克鲁兹分校物理学家斯特凡诺·普罗富莫提出了两个富有想象力但具有科学依据的理论，可能有助于解决物理学中最大的谜团之一：暗物质的起源。其中一个理论认为，一个隐藏的、拥有自身粒子和力的"镜像"宇宙可能在早期宇宙中形成了致密的类黑洞物体，构成了我们今天所见的全部暗物质。另一个理论则提出，暗物质可能是宇宙大爆炸后不久急速膨胀期间，由宇宙边缘的量子辐射产生的。
- 一种理论提出，存在一个隐藏的物理领域，拥有其自身版本的粒子和力，这些粒子和力产生了微小的、稳定的、类似黑洞的物体，这可以解释今天观测到的所有暗物质。
- 另一种理论探索暗物质是否可能是宇宙自身膨胀的产物，是在暴胀后一个短暂但剧烈的时期，由宇宙视界附近的量子辐射产生的。
- 这两种理论都提供了基于已知物理学的、可检验且自洽的框架，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，以应对科学中最大谜题之一的传统。
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且悬而未决的问题之一的理论：暗物质的粒子性质是什么？
科学已经提供了压倒性的证据，证明这种构成宇宙中所有物质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结合在一起并使它们旋转。诸如宇宙的大尺度结构和宇宙微波背景的测量等发现也证明，某种尚未确定的东西弥漫在那片黑暗之中。
仍然未知的是暗物质的起源，以及它的粒子特性是什么。这些重大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，他从不同的角度探讨了这些问题，但两者都集中于一个观点，即暗物质可能是从**早期宇宙的条件中自然产生**的——而不是暗物质是一种以某种可探测方式与普通物质相互作用的奇异**新**粒子。
隐秘的起源
最近的一项研究发表于7月8日，探讨了暗物质是否可能在一个隐藏的领域（一种拥有其自身版本粒子和力的“镜像世界”）中形成。虽然对人类完全不可见，但这个阴影领域将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：物理学名誉教授迈克尔·戴恩帮助开创了涉及QCD轴子的理论模型，这是一个主要的暗物质候选者，而研究教授阿部诚司则在探索强子（由夸克组成的粒子）结构的高能物理实验中，为主要的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个约束性的“暗QCD”理论，其自身的粒子——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，这些暗重子会变得足够密集和质量足够大，在其自身引力作用下坍缩成极其微小、稳定的黑洞——或者行为非常像黑洞的物体。
这些类似黑洞的残余物的质量可能仅比量子引力的基本质量标度——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，所以对粒子探测器来说是完全不可见的——但它们的存在将在最大的尺度上塑造宇宙。
这种情况提供了一个基于成熟物理学的新颖、可检验的框架，同时扩展了加州大学圣克鲁兹分校长期以来对深层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。
视界之上
普罗富莫的另一项近期研究发表于5月，探讨了暗物质是否可能由宇宙膨胀的“宇宙视界”产生——这本质上是黑洞事件视界的宇宙学对应物。
这篇论文提出疑问：如果宇宙在暴胀后经历了一段短暂的加速膨胀时期（其剧烈程度不及暴胀，但仍比辐射或物质所允许的膨胀速度快），那么这个阶段本身是否可能将粒子“辐射”到存在中？
利用弯曲时空中的量子场论原理，该论文表明，根据这一机制，取决于这个阶段的温度和持续时间，可能产生各种质量的暗物质。普罗富莫说，重要的是，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是通过引力产生的。这个想法的灵感来自于宇宙视界（比如黑洞的视界）附近的观察者由于量子效应而感知到热辐射的方式。
“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，这些传统模型正日益受到零实验结果的压力，”圣克鲁兹粒子物理研究所理论副主任普罗富莫说。
可以说普罗富莫写了一本关于理解暗物质本质探索的书。他2017年的教科书《粒子暗物质导论》介绍了他在研究工作中亲自学习并使用的经验教训，这些经验教训源于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。
这本书将“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”，并面向任何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
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（仍然是最符合所有宇宙学数据的模型）的发展，以及宇宙结构如何形成的理论和观测研究做出了贡献。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。
普罗富莫表示，这些最近的出版物延续了这一传统，探索了将粒子物理学中最深层的问题与宇宙的大尺度行为联系起来的想法。“并且它们这样做的方式仍然根植于已知的物理学——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，这是美国物理学会在理论粒子物理学领域的首要期刊。