新粒子新实验：在五维时空内寻找暗物质

Daphane

来自: 《欧洲物理C刊》


德国约翰内斯・谷登堡-美因茨大学（Johannes Gutenberg-Universität Mainz）高精度物理与基本物质结构及其相互作用研究所（PRISMA+ Cluster of Excellence）的理论物理学家提出一种基于五维时空的理论，可以回答关于基本粒子质量和暗物质存在的一系列问题。不过，科学家一直无法设计出任何可以检验这个理论的实验。

五维时空宇宙天体艺术假想图

　　近期PRISMA+的科学家发表于《欧洲物理C刊》（European Physical Journal C）的研究终于找到了办法，为科学家探索暗物质的道路投下一缕新的曙光。
　　早在上世纪20年代，就有科学家试图在三维空间和一维时间（所谓四维时空）的基础上，再增加一个维度来解决引力与电磁力的统一问题。他们推测，如果的确有这个新的空间维度，这个空间必须是以很小的、小到肉眼看不到的形式存在。
　　到了90年代，这个理论引起更多研究人员的兴趣，特别是当人们意识到五维空间的理论有可能回答现有的标准粒子模型无法回答的问题，比如暗物质的存在、基本粒子质量的层级关系等。
　　其中一份由斯坦福大学的格罗斯曼（Yuval Grossman）和当时就职康奈尔大学的教授纽伯特（Matthias Neubert）合作完成的研究得到同行广泛引用和讨论。这份研究提出，把粒子物理的标准模型置于五维时空中，就可以解决不同层次的基本粒子它们的质量从何而来的难题。
　　又过了20年，任职于德国美因茨大学的纽伯特有了意外的发现：他们从五维空间的粒子场论方程式推导发现存在一种全新的、类似希格斯玻色子（因被人称为“上帝粒子”而知名）的粒子，但是质量比希格斯玻色子大得多。
　　不过，由于它的质量如此之大，以致于世界上最先进的大型强子对撞机（LHC）都不可能生成这种粒子，也就无法对它进行进一步的试验研究。研究者之一卡斯特拉诺・鲁伊斯（Javier Castellano Ruiz）说：“我们的理论预测了一种全新的粒子，这让我们很兴奋，可是我们所能想到的实验都无法证实它的存在。”
　　最新发表的研究对此困境给出了全新的解答。他们发现这种粒子能够同时与已知的基本粒子（即构成这个世界可见物质的粒子）和神秘的暗物质产生相互作用，从而成为协调两者之间作用力所须的媒介。同时，新的理论还能解释为何宇宙中的暗物质如此之多。
　　他们认为这个基于五维时空的理论为寻找暗物质的成分以及探索早期宇宙的不同阶段和暗物质的形成提供了全新的途径。纽伯特说：“多年来我们一直在努力寻找能够证实这一理论的方法，现在我们有信心地认为这次发现的机制，让我们有希望在未来的实验中探测到暗物质，因为我们的理论可以精确地算出普通物质和暗物质之间通过新的机制进行互动的各种特征。我们希望最终能够在这种新粒子与暗物质的互动过程中发现它的踪迹。”