暗物质到底存在不存在？

本文来自微信公众号：果壳（ID：Guokr42），作者：子乾（中科院高能所博士），编辑：朱步冲，原文标题：《来无影去无踪的暗物质终于现身？物理学家大呼“万万没想到”》，头图来自：《第三类接触》

近日，美国费米国家实验室公布了最新缪子（μ子）磁矩的测量结果，这立马引起了物理学界的广泛关注，我们对宇宙构成的认知，可能因此而发生变化！

费米实验室中巨大的超导磁铁存储环，粒子加速器产生的缪子束流进入储存环后，探测器即开始记录其运动状况 | fnal.gov

为什么这样说呢？因为追寻构成世界的基本元素，是科学史上最为悠久的问题之一。中国古人有云，一尺之棰，日取其半，万世不竭。而古希腊哲学家则认识到物质由基本的元素构成，甚至已经提出了“原子”的概念。

当然，这些都是古人对于世界最原始的朴素认知，但对于探索宇宙的成分、物质的构成，人类从没有停止过。

粒子标准模型：一部物理学界的物种百科

经过众多科学先驱的努力，人们终于认识到，宏观的物质是由微观粒子构成的，很多微观粒子是由更小的粒子构成的，若粒子无法被分解，那么我们就称之为基本粒子，这样的一门学科叫做粒子物理（也叫高能物理）。

一台上世纪60年代的范德格拉夫式静电场粒子加速器 | wikipedia.org

上个世纪是粒子物理的黄金时期，通过研究宇宙射线、建造粒子对撞机等，人们对物质的认知不断深入。从原子到电子、原子核，从质子中子再到胶子、夸克，人们发现了大量的新粒子，又不断地分解这些粒子，就像集邮一样，物理学家们甚至还为粒子的命名权而明争暗斗。

比如1974年，丁肇中与另一位物理学家伯顿·里克特同时发现了一个新粒子，丁肇中想称之为“J”粒子，而里克特则选用了希腊字母“ψ”，后来科学界干脆就把这个新粒子叫做“J/ψ”粒子。

丁肇中与里克特，这次新粒子命名之争也成为现代物理学历史上一段知名公案 |Sandbox Studio, Chicago

除了基本粒子，人们对粒子之间的相互作用力也有了新的发现，除了万有引力和电磁力外，基本粒子之间还存在弱相互作用力以及强相互作用力。

随着发现的粒子越来越多，而且五花八门，粒子之间的关系也繁琐复杂。正如门捷列夫建立元素周期表一样，人们隐约觉得，如此繁多粒子的背后，也应该有一个相似的“粒子周期表”。在这个思想指导下，标准模型横空出世！标准模型就像是粒子物理学家的圣经一样，对微观世界的研究，都要接受它的指导。

如果仅仅能解释已知的现象，那也难服众人。2013年，欧洲核子中心的大型强子对撞机发现了一个新粒子，这个粒子完全是标准模型预言的粒子，也就是大名鼎鼎的希格斯粒子。这一战，标准模型就此封神！

粒子物理标准模型 | 作者供图

正所谓否极泰来，物极必反。标准模型变得完美的时候，也恰恰是其不完美开始显现的时候。时间长了，人们也慢慢地发现，标准模型似乎也不是那么“标准”。比如说，标准模型“规定”，基本粒子之一的中微子不能有质量，要以光速在宇宙中穿梭，然后实验测量发现，中微子耍了一点小滑头，它以非常接近光速的速度运动，而且有非常小的质量，不仔细看，还真发现不了这一点！这种结果让人们很不爽，如此完美的标准模型竟然不完美，但人们又无可奈何，只能接受这一点。

有人看到了危机，有人却能看到机遇！这或许是破旧立新的机会，虽然标准模型还没多旧。当不可战胜的神流血之后，就会有越来越多的挑战者！而这一次费米国家实验室实验的内容，是测试缪子磁矩。缪子，也是标准模型中的基本粒子之一，它是我们熟知的另一个基本粒子——电子——的二哥，除了比电子重200多倍，其它没有什么区别。

缪子（μ 子）与电子的关系 | Jorge Cham,physics.aps.org

什么是磁矩呢? 大家中学物理课可能学过，作用力促使物体绕着转动轴或支点转动的趋向，称为力矩。那么缪子的运动模式，是像陀螺一样飞速绕着中心轴旋转，这种自转运动形成了沿着缪子自转轴排列的磁场。这个围绕缪子产生的磁场力矩，就被称为磁矩。

费米实验室的科学家在观察缪子磁矩的时候，发现一个有趣现象：那就是看似空无一物的真空，实则暗流涌动，风云四起！一个静止的缪子，会在周围的真空中激发出正反粒子对，这些粒子对从真空中涌现，又在瞬间消失的无影无踪, ，如同奇幻电影里的小精灵，突然出现又突然消失。这些小精灵一样的神秘粒子，虽然没法被直接观察到，但却对缪子的磁矩产生可观的影响。

在费米实验室本次实验中，缪子身边出现了无数神秘粒子 |  | Jorge Cham,physics.aps.org

如果把缪子看作一个小陀螺，那么它在自转时，由于磁场的存在，也不是笔直地按照中心轴稳定旋转，而会出现中心轴“扭来扭去”的现象。也就是说，那些神秘的小精灵一样的粒子，似乎有一种无法看到的力量，让这只小陀螺在自转中，扭动的“姿势”和预测中的不一样。

虚粒子——打开新物理大门的小精灵

其实，在之前的物理学研究中，科学家也注意到了这些神秘的小精灵，由于来无影去无踪，干脆就把这些粒子叫做“虚粒子”！著名物理学家施温格在1947年最先计算了虚粒子对电子的影响，这在当时是巨大的理论进步，以至于他去世之后，墓碑上都镌刻了这个结果。

通过影响缪子磁矩，虚粒子证明了自己的存在| Jorge Cham,physics.aps.org

虽然有一个“虚”字，但是虚粒子的影响却是实实在在的。因此理论计算的时候，就要把所有已知的粒子都考虑进去，这是非常繁琐的事情，虚粒子瞬息万变，想抓住它并不容易，甚至使用了超级计算机进行计算。然而，迎接理论物理学家的并不是胜利的号角，实验物理学家经过多年的努力，发现事情并没有这么简单。电子磁矩的理论计算与实验结果，在小数点后11位还能保持相同，理论与实验呈现高度的一致性，标准模型不愧为粒子物理学的圣经！这也是物理学中最精确的结果，没有之一！

然而，当人们把目光转向缪子的时候，预期的完美结果并没有出现，理论计算与实验测量总是差一点点，这一点点的差距在20年前就被发现，经过了20年的努力，这一差距并没有缩小，反而越发坚固！

与理论不同，实验测量的是最真实的宇宙，宇宙并不会因为一个粒子不在标准模型里就歧视之，天地不仁，以万物为刍狗，所有粒子都被一视同仁地参与缪子磁矩。

当实验结果与理论计算结果不一致时，机遇就再次展现出来！标准模型不完美的呼声也越来越高了，宇宙中很有可能还有新的没有被发现的粒子，这些粒子不在标准模型之内，因此理论计算自然没有包含它们的贡献，理论与实验有差距也就很容易理解了。

夜幕降临，抬头望向夜空，繁星点点。我们看见的，真的就是整个宇宙吗？有时候眼睛往往会蒙蔽真相。上个世纪，天文学家的观测彻底颠覆了人们对于宇宙的认知，普通可见物质只占到了宇宙总成分的5%！除此之外，宇宙中还有26%的不可见物质，也就是大家常说的暗物质。暗物质是普通物质的五倍还多！当然，还有69%的暗能量，不过那是另外一个故事，此处不予多说。

就像普通物质是由各种基本粒子构成的一样，人们也自然地相信暗物质也会是由某种基本的粒子构成，那么构成暗物质的基本粒子到底是什么呢？探索宇宙的道路不会一帆风顺，至少在这一步，人们已经举步维艰很久了。人们上天入地，想找到暗物质粒子的踪迹，但是遗憾的是，到目前为止，暗物质粒子的影子都没有发现。

因此，缪子磁矩就像是一针强心剂，人们觉得好像又行了！大家很自然地联想到暗物质，也会自然地想，这两者有相同的内在机制。这个结果，给暗物质研究、宇宙构成与演化问题带来了新的机遇，毕竟暗物质在宇宙中的占有量是普通可见物质的五倍！

当然，这些听起来很振奋人心，但是物理学家对于一个结果总是会慎之又慎！实际上，目前的实验结果并不被认为是一个确定的发现，因为这样的好结果有可能是因为统计数据不够，数据误差过大导致的，这样的可能，目前有四万分之一的概率。一般来说，只有这个概率小于千万分之三，才会认为是真的发现了新的现象！

虽然如此，目前的结果也足够令人振奋人心。费米实验室将在未来几年内继续测量缪子磁矩，收集更多的数据，相信那时候我们会有一个更坚实的结果。回想彼时，十九世纪初，开尔文勋爵演讲中的“两朵乌云”，直接带来了相对论与量子力学这两个重量级的物理学革命，我们对宇宙的认知也发生了翻天覆地的变化。

再看此时，或许我们也处于相似的境地，一个小小的缪子，或许就是通向未来新物理的起点也说不定呢！

本文来自微信公众号：果壳（ID：Guokr42），作者：子乾