宇宙射线反物质含量惊人，暗物质是祸首？

一项新的研究表明，在撞击地球、被称为宇宙射线的带电粒子雨中，反物质的过量存在可能会揭示暗物质的秘密，暗物质是宇宙中最神秘的“物质”。

暗物质对科学家来说是一个重大的挑战，因为它估计占宇宙物质的 85%，但实际上是不可见的，因为它不与光相互作用。这意味着构成每颗恒星、行星、卫星、小行星、彗星、人类、书籍、咖啡杯和猫的每一个原子，都与暗物质的比例约为一比五。

由马德里理论物理研究所的佩德罗·德拉托雷·卢克领导的一组研究人员提出理论，认为在宇宙射线中，存在数量无法解释的反物质，即与像质子和电子这样的物质粒子带相反电荷的“镜像粒子”，可能是暗物质粒子湮灭的结果。然而，这种联系的精细细节可能会澄清主要的暗物质嫌疑对象——大质量弱相互作用粒子（WIMPs）。

“我们发现，检测到的反核数量，尤其是反氦（相当于氦核的反物质）的数量，在宇宙中无法用已知的过程来解释，”德拉托雷·卢克告诉 Space.com。“反粒子在星际介质（即恒星之间的气体和尘埃）中并不常见，所以发现它们的大量产生可能表明存在超出我们所知的过程。

“特别是，如果暗物质是一种粒子，预计它很少会湮灭并产生等量的粒子和反粒子。”

该团队的这项研究对那些最受广泛支持的暗物质候选者而言，或许是个坏消息，这使得科学家们在探索理解宇宙缺失质量的道路上又得重新开始。

尽管它们依旧是被假定用于解释暗物质的主要嫌疑对象之一，可到目前为止，弱相互作用大质量粒子还是让人难以捉摸，实在令人沮丧。

“弱相互作用大质量粒子是一个由粒子物理标准模型的许多最小扩展所预测出的粒子家族，这个模型解释了我们已知的粒子及其相互作用，”德拉托雷·卢克说道。“它们从未被观测到，但它们是暗物质的绝佳候选者，因为它们是中性的，并且可以在早期宇宙中通过类似于产生已知粒子的机制产生。”

弱相互作用大质量粒子（WIMPs）与标准模型中其他粒子之间的微弱相互作用意味着，它们或许避开了我们当下所有可能的实验探测。

所以，如果它们构成了暗物质，到现在都还没被直接检测出来。WIMPs 会跟暗物质一样，通过引力相互作用。这一点特别重要，因为正是暗物质的引力相互作用，才让科学家推断出了它的存在。

关于暗物质，有一个悬而未决的问题，那就是构成它的粒子会不会相互湮灭。湮灭指的是当一个物质粒子遇到其反物质对应物时发生的情况，它们会相互摧毁。例如，当一个电子遇到其反粒子——正电子时，两者会湮灭，其组成的能量会释放回宇宙。暗物质被认为在其罕见的自身相互作用时会“自我湮灭”。

“预计 WIMPs 会湮灭，产生等量的粒子和反粒子对，”德拉托雷·卢克说。“虽然我们预计通过我们已知的那些过程，在星际介质中产生的反粒子数量特别少，但是因为我们知道暗物质渗透了咱们的整个宇宙，而且 WIMPs 是我们拥有的暗物质的最佳候选对象，所以人们能够预期在星系中由这些 WIMPs 产生大量的反粒子。”

该团队研究了宇宙射线中氦和反氦的反粒子，试图找到 WIMP 湮灭的特征。与“普通”氦原子一样，反氦可以有三个或四个中子。这意味着它有两种同位素：反氦-3 和反氦-4。

国际空间站（ISS）上的阿尔法磁谱仪（AMS）02 实验最近在宇宙射线中发现了数量非常相似的反氦-3 和反氦-4。宇宙射线在撞击并穿过星际介质时本身可以产生反粒子。然而，在宇宙射线中检测到的反氦数量远远高于仅依据宇宙射线粒子产生反核情况所做出的估计值。

该团队探究了 WIMP 这种暗物质候选者能否解释这种反物质的过量现象。

“虽然我们的预测显示，在较为乐观的计算情况下，我们能够用作为暗物质的 WIMP 来解释对反氦-3 的观测结果，但我们预计 WIMP 产生的反氦-4 的数量必须少得多。实际上，要少 1000 倍，因为它比反氦-3 重，”德拉托雷·卢克说。“我们发现 WIMP 无法轻易解释这些观察结果，要解决这个谜团，我们需要更奇特的暗物质模型。”

虽然这一开始看起来可能是个坏消息，但将 WIMP 视为满足暗物质所有要求的“神奇粒子”的观点，致使许多其他粒子模型被有效地舍弃。

其中一些 WIMP 的替代方案如今或许又被摆上了台面，非粒子的解释也是如此，比如认为暗物质可能由在大爆炸期间产生的亚原子大小的“原始黑洞”组成。

“如果这种反核的产生源自星系中的一种未知粒子，”德拉托雷·卢克总结道。“如果我们发现这种粒子应当具备十分特殊的性质才能够产生反氦，”德拉托雷·卢克总结道。“如果我们发现这种粒子能够解释目前有关暗物质的所有观测结果，并且它能够躲开在粒子加速器上针对新粒子的所有当下的研究，这将是一个很好的暗物质候选者，而反氦的探测可能是我们研究它的唯一途径。”

该团队的研究于 10 月 4 日发表在《宇宙学与天体粒子物理学杂志》上。