科學家在宇宙射線中檢測到超量反物質，表明暗物質可能會以超越人類當前認識的方式存在。

根據真實巡天數據繪制的特定天區暗物質分布圖。暗物質密集區在圖中被著以粉紅色。ESO

現代宇宙學面臨的最大挑戰之一，是揭示暗物質的本質。我們知道它存在的跡象，甚至算出了它如果存在，必然占宇宙物質總量的85%以上，卻從未直接看到過它，也不知道它究竟是什么。

近日發表在《宇宙學和天體粒子物理學雜志》上的一項研究，對宇宙中反物質的蹤跡進行了檢測，其結果符合流行的暗物質理論，但同時表明，這些暗物質粒子可能擁有更多的未知特性。

這種粒子理論上是所謂弱相互作用大質量粒子的一種。研究結果表明，針對宇宙射線中反物質核的最新觀測結果，與宇宙中存在弱相互作用大質量粒子這一假設是相符的。研究結果也同時暗示，這些粒子可能比人們之前認為的更奇特。

幾年之前，科學界一直在等一個奇跡。理論上對所謂弱相互作用大質量粒子的假設，似乎滿足暗物質的所有特性。這種假想中的粒子，連同檢測它們的方法一經提出，許多人便認為，在幾年內，人類便可獲得能夠證明它們存在的首個直接證據。

然而事實恰恰相反。通過近年來的研究，主要是對理論上它們可能會產生的特殊發射線的探測，一類又一類的弱相互作用大質量粒子假設被排除，這表明它們在現實的宇宙中可能并不存在。時至今日，雖然并非所有弱相互作用大質量粒子的假設都已被證偽，但它們的理論類型，以及可供探測的手段實際上都越來越少。許多弱相互作用大質量粒子理論模型原本被很多人深信，但現在事實上很多已被排除。

不過新的研究結果顯示，通往弱相互作用大質量粒子的大門并未徹底關閉。研究人員稱，國際空間站上搭載的阿爾法磁頻譜儀（AMS-02）在宇宙射線中探測到了超量的反物質原子核，尤其是反氦核的存在。而這出乎所有人的意料。

反物質其實也屬于相對于暗物質而言的常規物質。但反物質粒子所帶的電荷與物質是相反的。物質粒子中有一些帶負電荷，如電子；有一些帶正電荷，如質子；而有一些是中性的。而反物質粒子是物質粒子的鏡像，它的電子是帶正電荷的，被稱為正子；它的質子是帶負電荷的，被稱為反質子。正反物質一旦相遇，就會相互湮滅，轉化為強伽馬射線。我們的宇宙中，物質占統治地位，只有極少量的反物質。為什么會這樣，則是另一個謎。

根據當前的認識，宇宙中存在的少量反物質，一小部分是在宇宙大爆炸的過程中形成并遺留下來的，而大部分則是通過特殊天文事件持續產生的。這部分反物質的量，對于觀測研究而言相當重要。

假設我們預期星際介質產生的反物質粒子量會維持在一個非常低的水準，而實際上觀測結果卻超過了這個水準，那就意味著在宇宙中，正在發生一些不尋常的事。而新的觀測結果顯示，宇宙射線中存在超量的反氦核。這讓一些科學家十分興奮，因為在當前的暗物質理論框架內，假想中的弱相互作用大質量粒子，就能夠產生這些反氦核。暗物質理論認為，兩個弱相互作用大質量粒子一旦相遇，就有可能發生湮滅并釋出能量，并同時產生物質和反物質粒子。

研究人員在分析之后確認，他們觀測到的這些反氦核的產生，有一些很難用已知的天體物理學現象來解釋，甚至用暗物質理論也難以解釋。

一方面，AMS-02探測到的反物質核，尤其是反氦核的量遠遠超越了理論預言。理論預測認為，每10年才能觀測到一個反氦核；而實際上觀測到的反氦核數量高出了好幾個數量級。

而另一方面，觀測到的反氦核分為兩類，分屬兩種不同的同位素。一種是反氦3，另一種是反氦4。不同的同位素是同一種元素，但它們原子核中的中子數量不一樣。反氦4要比反氦3多一個中子，更重一些，也更少見。越重的原子核越難產生，尤其是在自然條件下。因此在宇宙射線中發現如此多的反氦核，尤其是反氦4核，是一個非常反常，同時又非常明顯的信號。

研究人員表示，即使是最為樂觀的弱相互作用大質量粒子理論模型，也無法解釋宇宙射線中會出現如此之多的反氦4核。這似乎向我們暗示，如果確實存在弱相互作用大質量粒子，那么這種粒子比理論預言更為奇特。

研究人員認為，這或許表明弱相互作用大質量粒子暗物質理論模型并沒有被完全否定，但它需要進行擴展或調整。當然也有其他可能，那又會是什么呢？

參考
Cosmic-Ray Propagation Models Elucidate the Prospects for Antinuclei Detection
https://arxiv.org/abs/2404.13114