這張圖片是美國(guó)自然歷史博物館海登天文館“暗宇宙太空展覽”的特色圖片，它強(qiáng)調(diào)了暗物質(zhì)在我們的宇宙中可能無(wú)處不在。在這個(gè)詳細(xì)的計(jì)算機(jī)模擬中，復(fù)雜的暗物質(zhì)纖維像蜘蛛網(wǎng)一樣散布在宇宙中，而我們常見的重子物質(zhì)則表現(xiàn)為橙色團(tuán)塊，這在宇宙中相對(duì)罕見。這些模擬與天文觀測(cè)具有良好的統(tǒng)計(jì)匹配。暗物質(zhì)可能不是宇宙中最奇怪的引力源。這一榮譽(yù)落到了暗能量身上，暗能量是一種更均勻的排斥引力源，似乎主導(dǎo)著整個(gè)宇宙的膨脹。
研究人員的計(jì)算表明，這些粒子的數(shù)量可能剛好足以解釋暗物質(zhì)。目前，物理學(xué)家還沒有真正觀測(cè)到暗物質(zhì)的存在。他們只能通過它對(duì)普通物質(zhì)的引力作用來“觀察”它。早期宇宙中普通粒子的碰撞產(chǎn)生了大量的引力子。過去，人們認(rèn)為這個(gè)過程很難發(fā)生，因此大量的引力子不可能成為暗物質(zhì)的候選者。
在今年2月發(fā)表的第《物理評(píng)論快報(bào)》號(hào)（物理評(píng)論快報(bào)）的新研究中，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)早期宇宙可能產(chǎn)生了大量的引力子，足以解釋我們目前在宇宙中探測(cè)到的暗物質(zhì)。
宇宙的維度是否比我們想象的更多？
研究發(fā)現(xiàn)，如果早期宇宙中的引力子真的存在，它們的質(zhì)量將小于1 MeV，不超過電子質(zhì)量的兩倍。這個(gè)質(zhì)量水平遠(yuǎn)低于希格斯玻色子產(chǎn)生普通物質(zhì)質(zhì)量的規(guī)模。這是模型產(chǎn)生足夠的希格斯玻色子來解釋宇宙中所有暗物質(zhì)的關(guān)鍵。 （作為比較，根據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所的數(shù)據(jù)，已知最輕的粒子中微子的質(zhì)量小于2 eV，而質(zhì)子的質(zhì)量約為940 MeV。）
研究小組在尋找額外維度的證據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)了這些假設(shè)的引力子。一些物理學(xué)家懷疑，除了我們已經(jīng)觀察到的三維空間和第四維時(shí)間之外，還存在其他維度。根據(jù)該團(tuán)隊(duì)的理論，當(dāng)引力穿過額外維度時(shí)，它在我們的宇宙中以大量引力子的形式出現(xiàn)。
然而，這些粒子與普通物質(zhì)的相互作用很弱，并且僅通過重力作用。這種描述與目前已知的暗物質(zhì)特性驚人地相似：暗物質(zhì)不與光相互作用，但具有在宇宙任何地方都可以感受到的引力效應(yīng)。例如，物理學(xué)家認(rèn)為暗物質(zhì)的引力效應(yīng)是阻止星系分離的原因。
在廣義相對(duì)論中，引力被視為一種幾何現(xiàn)象，即時(shí)空的彎曲。在當(dāng)今的物理學(xué)中，這個(gè)想法已經(jīng)非常成功。從量子力學(xué)的角度來看，力是由不連續(xù)的能量包（即量子）交換產(chǎn)生的。不同的量子產(chǎn)生不同的力?；谶@一觀點(diǎn)，量子物理標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為基本相互作用是由量子交換產(chǎn)生的，并提出了規(guī)范玻色子理論。例如，電磁力是由光子交換產(chǎn)生的，弱核力是由W和Z玻璃產(chǎn)生的。強(qiáng)核力是骰子交換產(chǎn)生的，強(qiáng)核力是膠子交換產(chǎn)生的。該理論預(yù)測(cè)，引力也應(yīng)該是由某種稱為引力子的玻色子交換產(chǎn)生的。
這張宇宙演化示意圖顯示，最早的恒星和星系是在大爆炸后的最初幾億年形成的。
大量引力子作為暗物質(zhì)粒子的假設(shè)的主要優(yōu)點(diǎn)是，這些粒子僅通過重力相互作用，因此可以逃避檢測(cè)它們存在的嘗試，與其他暗物質(zhì)候選粒子——（例如大量弱相互作用粒子（WIMP））相比、軸子和中微子也可以通過它們與其他力和場(chǎng)的非常微妙的相互作用來檢測(cè)。許多科學(xué)家認(rèn)為，WIMP 是最有希望的暗物質(zhì)候選者，但最新研究表明，暗物質(zhì)的質(zhì)量應(yīng)該比WIMP 更小。目前有許多實(shí)驗(yàn)尋找理論上的WIMP粒子，這些實(shí)驗(yàn)必須在地下進(jìn)行，以避免宇宙射線的干擾。
大量引力子幾乎不通過引力與宇宙中的其他粒子和力相互作用，這一事實(shí)提供了另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。由于它們的相互作用非常弱，衰變速度非常慢，因此在宇宙的整個(gè)生命周期中它們都保持穩(wěn)定，并且出于同樣的原因，它們?cè)谟钪媾蛎涍^程中慢慢地產(chǎn)生，并積累到今天。
過去，物理學(xué)家認(rèn)為引力子不太可能是暗物質(zhì)的候選者，因?yàn)樗鼈兊漠a(chǎn)生極為罕見。因此，引力子的產(chǎn)生速度比其他粒子慢得多。但研究小組發(fā)現(xiàn)，大爆炸后數(shù)萬(wàn)億分之一秒內(nèi)的引力子可能比之前的理論所暗示的要多得多。研究發(fā)現(xiàn)，這種增加足以讓引力子充分解釋我們?cè)谟钪嬷袡z測(cè)到的暗物質(zhì)的數(shù)量。
由于大量引力子是在希格斯玻色子能量尺度以下形成的，因此它們不會(huì)受到當(dāng)前粒子物理學(xué)無(wú)法很好描述的與更高能量尺度相關(guān)的不確定性的影響。性別。該團(tuán)隊(duì)的理論將大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC) 等粒子加速器研究的物理學(xué)與引力物理學(xué)聯(lián)系起來。這意味著像歐洲核子研究中心的未來圓形對(duì)撞機(jī)（FCC）這樣的大型粒子加速器可以用來尋找這些潛在暗物質(zhì)粒子存在的證據(jù)。 FCC的尺寸將是目前世界上最強(qiáng)大的粒子加速器LHC的四倍，其撞擊能量將是LHC的六倍。按照計(jì)劃，該加速器將于2035年開始運(yùn)營(yíng)。（任天堂）
