暗物质由高速粒子减速并增加质量后形成，新理论提出

研究人员在《物理评论快报》上报告称，根据他们的数学模型，暗物质可能在宇宙早期由高能无质量粒子碰撞形成，这些粒子在配对后动能消退，瞬间获得了巨大的质量。

尽管是假想物质，但基于可见物质无法解释的引力效应，暗物质被认为存在。科学家估计宇宙总质量的85%是暗物质。

但该研究作者指出，他们的理论具有独特性，因为它可以利用现有观测数据验证。他们认为构成暗物质的极低能粒子会在宇宙微波背景辐射（CMB）上留下独特印记——CMB是大爆炸遗留的辐射，充斥整个宇宙。

"暗物质诞生之初是近乎无质量的相对论性粒子，几乎如同光一般，"物理学与天文学教授、论文资深作者罗伯特·卡德威尔表示。

"这与当前对暗物质的认知完全背道而驰——它应是赋予星系质量的冷团块，"卡德威尔说，"我们的理论试图解释它如何从轻态转变为团块态。"

在137亿年前科学家认为引发宇宙膨胀的大爆炸能量爆发后，炽热、高速运动的粒子主导了宇宙。这些粒子与光子类似，光子是光的无质量基本能量量子。

卡德威尔与论文第一作者、达特茅斯学院大四学生关明亮认为，正是在这种混沌中，数量极其庞大的粒子彼此结合。

他们提出理论：这些无质量粒子因其自旋方向相反而相互吸引，类似于磁铁南北极之间的吸引力。

卡德威尔和关明亮表示，随着粒子冷却，自旋不平衡导致其能量骤降，如同蒸汽急剧冷凝成水。其结果就是科学家认为构成暗物质的冰冷、沉重粒子。

"数学模型最出乎意料的部分是连接高密度能量与团块状低能量的能量骤降，"关明亮说。

"在那个阶段，这些粒子对仿佛正预备转变为暗物质，"卡德威尔说，"这种相变解释了如今可探测到的暗物质丰度。它源于早期宇宙中由极高能粒子构成的高密度聚集态。"

该研究引入了一种可能引发向暗物质转变的理论粒子。但卡德威尔和关明亮指出，科学家已知称为电子的亚原子粒子也能经历类似转变。

在低温下，两个电子可形成库珀对，实现零电阻导电，这是某些超导体的作用机制。卡德威尔和关明亮以库珀对的存在为证，说明理论中的无质量粒子能够凝聚成暗物质。

"我们参照超导现象寻找特定相互作用能否导致能量骤降的线索，"卡德威尔说，"库珀对证明这种机制存在。"

关明亮解释说，这些粒子从宇宙级双份浓缩咖啡蜕变为隔夜燕麦粥的状态，解释了现今宇宙能量密度较早期宇宙的巨大衰减。科学家知道自大爆炸以来，随着宇宙能量向外膨胀，密度持续下降。但关明亮和卡德威尔的理论也解释了质量密度的增加。

"天体结构质量源自冷暗物质的密度，但也必须存在使能量密度降至接近现今观测值的机制，"关明亮说。

"我们理论的数学模型非常优美，因为它相当简洁——无需在系统中添加过多设定即可运作，"他表示，"它建立在已知存在的概念和时间线上。"

他们的理论表明，粒子对在减速增重过程中进入低温、近乎无压的状态。这一特性会使它们在CMB上显现异常。CMB已通过多个大型观测项目进行研究，目前是智利西蒙斯天文台及CMB-S4等其他实验的重点观测目标。

研究人员表示，这些项目现有及未来的数据可用于验证卡德威尔和关明亮的理论。

"这令人振奋，"卡德威尔说，"我们提出了一种思考并可能识别暗物质的新途径。"