暗物质:换了个马甲的普通物质?

夸克的奇异组合

我们知道，夸克是一种基本粒子，是构成物质的基本单元，夸克的不同组合形成了各种复合粒子，比如重子，其中比较有名的就是中子和质子，都包含三个夸克。另外，一个夸克和一个反夸克可以构成一个比较短命的粒子，叫做介子。

除此之外，根据理论预测，夸克还可以组成更多种类的复合粒子。2015年7月，一种由5个夸克构成的新的复合粒子就意外地现身于欧洲的大型强子对撞机，这种粒子叫做“五夸克粒子”。这个重大突破意味着，应该有更多奇特的夸克组合方式正等着我们来发现。

为什么要这么说呢？因为夸克是个古怪的家伙，把夸克结合在一起的强核力很怪异。例如，当夸克之间的距离较小时，强核力会很弱。但如果距离增大，那么强核力就会变强，并把夸克往回拉，所以，夸克从来都不会单独地存在。强核力的另一种怪异的性质，是当夸克处在高能量时，例如在大型强子对撞机里发生碰撞时，强核力反而会变弱。物理学家可以很容易地计算出处在高能量时夸克之间是如何发生相互作用的，但是计算低能量时的情况却是一件困难的事情。到现在，物理学家都还没有搞清楚夸克究竟如何构成重子和介子的，而这些都属于低能量的情况。

对低能量的情况的不了解，导致一些物理学家推测夸克可能会组合成很多种类的复合粒子，比如四夸克粒子和五夸克粒子等等。

抱成团儿的夸克块

上个世纪80年代初期，美国普林斯顿大学的物理学家爱德华・威滕还预言了一种更奇怪的夸克组合。他认为，轻质量的夸克可以和重质量的夸克组合在一起，构成一种新的复合粒子。但不像质子和中子那样，这种新的复合粒子无法成为原子核的一部分。不过，它们可以聚合起来，形成一种质量很大的无特定结构的粒子团。威滕把它们称为“夸克块”。

在普通物质里，原子核之间有着巨大的空隙。而夸克块内部是没有大空隙的，里面是一堆紧紧挤在一起的夸克。这使得夸克块的密度与一颗中子星相当，一勺这样的物质的质量差不多相当于地球上的一座大山。尽管密度很大，物理学家认为夸克块的个头应该是很微小的。一些物理学家把夸克块称为“宏粒子”，这是因为衡量它们的质量需要使用千克或吨这样的质量单位。

而且，宏粒子完全是由一堆夸克构成的，里面没有任何电子以及空隙，所以它们不能够进行聚变，也不会产生光。高密度也使得它们不太可能与入射光发生作用。简而言之，宏粒子密度很大，但个头很小，如果不是完全不见的话，它们也是很难被发现的。

暗物质其实就是夸克块？

当威腾预言出宏粒子的存在时，就有科学家认为，宏粒子很可能就是科学家久寻不着的暗物质，因为暗物质正好是一种无法被发现的物质。

暗物质大约占了宇宙中所有物质的85%，但它既不吸收光线，也不发射光线，我们无法直接看见它们。不过暗物质是有质量的，我们可以通过它们对普通物质的引力作用来间接找到它们。但除了引力之外，暗物质似乎基本不与普通物质发生作用了。

自从20世纪30年代暗物质这个概念提出以来，物理学家就开始不断猜测构成暗物质的候选粒子，例如所谓的“大质量弱相互作用粒子”或“巨兽级弱相互作用粒子”等等、但是它们没有一个被发现。另外超对称理论还预言当前所有已知的基本粒子都有一个质量更大的“超对称伙伴粒子”。这种伙伴粒子也被认为是一种暗物质候选粒子，但同样，也没有发现它们。

那么宏粒子是不是暗物质呢？在这个猜测刚提出之初，物理学家很快就否掉了这个想法，原因有两种。首先，如果宏粒子能变成如恒星那么重的话，那么它们其实就类似于褐矮星或黑洞一样，只不过会更难以察觉。鉴于暗物质特别多，宏粒子的数量肯定要比可见的恒星数量多，那么远处的恒星抵达地球的光线要经常被宏粒子的引力所弯曲（这种现象称为引力透镜效应）。但观察结果表明，大部分引力透镜效应都可以用普通物质来解释。其次，如果宏粒子很轻的话，会分散在宇宙的各个角落，那么低质量会使得它们更容易与自身以及其他物质发生作用，会阻碍星系的形成。

不过，美国凯斯西储大学的物理学家格伦・斯塔克曼最近和同事们在仔细分析后发现，宏粒子不会变得很重，也不会变得很轻，因此就不会经常产生引力透镜效应，也不会变得更容易发生相互作用。这样，宏粒子真的有可能是暗物质粒子。

如果事实真如斯塔克曼所预测的那样，那么所谓暗物质也像普通物质那样是由夸克构成的了，这也意味着暗物质只是普通物质的一种。

宏粒子寻踪记

斯塔克曼和他的同事们开始了寻找宏粒子存在的证据。

他们首先想弄清楚的是，最轻的宏粒子是否已经在以前的实验中就出现过。他们注意到在上个世纪80年代由美国物理学家普莱斯所做过的一个实验。那时，普莱斯觉得大质量弱相互作用粒子穿过地球时，可能会偶尔撞到由他深埋于地下的云母样品上。斯塔克曼相信，宏粒子也可能撞到云母样品上，但他对普莱斯的云母样品进行分析后，没有找到任何有关宏粒子的证据。

于是，他们执行B计划。在上个世纪70年代，研究人员在天空实验室空间站上安装了聚碳酸酯塑料薄膜。如果有粒子穿过塑料薄膜，那么会留下蚀刻的痕迹。当时的研究人员用这个薄膜主要是来寻找宇宙射线中低能量的离子。斯塔克曼认为宏粒子也会在薄膜留下一些痕迹，但是对天空实验室空间站的薄膜重新分析后，也没有找到任何有关宏粒子的证据。

另一个希望则是位于意大利罗马的“鹦鹉螺”实验。“鹦鹉螺”是一个寻找引力波（广义相对论所预言的时空本身的“涟漪”）所设立的实验，实验主要设备是一个2吨重的处于超低温下的铝棒。如果铝棒发生形变，这可能意味着有引力波通过铝棒。斯达克曼和他的同事认为宏粒子穿越铝棒时，可能会与铝发生作用并释放能量，会导致设铝棒被加热并发生微小的变形。但是他们对铝棒分析后，也没有发现宏粒子的任何迹象。

追踪宏粒子的努力仍在继续。斯塔克曼的合作者、来自南非开普敦大学的戴维・雅各布斯打算分析宇宙射线探测器所获得的数据。宇宙射线探测器通常是监视从太空来的质子或轻质量原子核与地球上层大气碰撞时产生的粒子流。如果一个宏粒子与地球大气中的分子发生作用，则会产生一种特别的光信号。

雅各布斯还希望使用海里的水听器――它通常是用来研究鲸鱼或监视非法核武器实验的――可以听到宏粒子穿过大海时产生的振动。

最好的线索可能在月球那里。1972年，当阿波罗计划中最后一批的宇航员离开月球时，他们留下了由4个月震仪所构成的监测系统。月球上虽然经常发生月震，但相对地球来说仍然平静得多。斯塔克曼等人认为，宏粒子穿过月球时会产生独特的震动模式，他们希望能从月震仪所记录的数据中找到宏粒子存在的线索。

不过，月球上的那些月震仪已经相当古老了，如今美国宇航局正计划把更加灵敏的月震仪放到月球上。他们的地震仪十分灵敏，可精确测量到氢原子半径大小的变化――这足以能检测到宏粒子。

一切尚是未定之数

费这么大的力去寻找宏粒子，那么暗物质真的会是宏粒子吗？美国麻省理工学院的物理学家弗兰克・威尔茨克就认为，形成宏粒子所需的能量会比形成普通物质的更少，如果宏粒子真的存在，那么为什么宇宙中还会有如此多的普通物质？

不过许多的物理学家对斯塔克曼的观点表示欢迎。如果他们最终发现了宏粒子，那将会是一个巨大的轰动事件。这还意味着，之前物理学家提出的各种五花八门的暗物质候选粒子，可能都是不存在的。假如果真如此，大型强子对撞机就再也不会发现任何暗物质候选粒子了（因为宏粒子是处于低能量下的夸克构成的）。

物理学家对暗物质的探寻从没有停止过，但是与其不断提高粒子对撞机的能量，我们不如去探寻夸克在低能量时究竟有怎样的表现。最终我们很有可能会发现，那些我们以为已经很熟悉的东西其实可能会变得非常诡异。