暗物质的新候选人——SIMPs浮出水面学术资讯

▲传统的大质量弱相互作用粒子（WIMP）理论预测暗物质粒子间几乎没有相互作用，且与普通物质的作用非常微弱。而Hitoshi Murayama等科学家提出的SIMPs，包含夸克和反夸克，彼此间则可以发生碰撞且联系紧密，当星系中的暗物质碰撞时会产生显著的效果。

三年前，美国加州大学伯克利分校的理论物理学家Hitoshi Murayama与该校前博士后YonitHochberg共同提出了大质量强相互作用粒子（SIMPs）。Murayama说，近日对邻近星系堆积的观测，可能为SIMPs的存在提供了证据。他在第29届德州相对论天体物理研讨会上讨论了自己有关SIMPs的最新理论。

尽管看不见，但天文学家通过计算认为暗物质占到了宇宙质量的85%。其存在的最可靠证据是星系内恒星的运动：如果没有一团看不见的暗物质，星系就会分崩离析。在一些星系中，可见的恒星是如此罕见以至于暗物质占到了星系质量的99.9%。

理论上说，SIMPs早在宇宙历史早期就已大量产生了，并已冷却到了平均宇宙温度。但与WIMPs（大质量弱相互作用粒子，传统理论推测的暗物质。编辑注）不同的是，SIMPs在重力作用下与自身进行强烈的相互作用，但与普通物质之间的作用非常微弱。Murayama提出的一种可能性是，SIMP是一种新的夸克组合，夸克是质子和中子等重子的基本组成部分。质子和中子是由三个夸克组成的，而一个SIMP更像一个只包含两个夸克和一个反夸克的介子。

▲SIMP的基本结构类似于介子（左）。介子是由一个上夸克和一个下反夸克构成的，用胶子（g）把它们连在一起。一个SIMP将由一个胶子（G）连接一个夸克和一个反夸克组成。

SIMP应比WIMP小，其尺寸或横截面与原子核的尺寸或横截面相同，这意味着它们的数量比WIMP要多。Murayama说，更大的数量意味着，尽管它们与普通物质的相互作用较弱，且与普通物质的作用主要是通过散射，而不是融合或衰变，但它们仍然会在普通物质上留下痕迹。

Murayama在阿贝尔3827星系团内的四个碰撞星系中看到了这样的痕迹，令人惊讶的是，暗物质似乎落后于可见物质。他说，这可以解释为，每一个星系中暗物质的相互作用减慢了暗物质的合并，但没有减慢普通物质（主要是恒星）的合并。

▲传统的WIMP理论预测，暗物质高度集中分布在每个星系中心的一个小区域内。SIMP理论预言了暗物质在中心的分散，这在矮星系中更为典型。

Murayama说：“理解暗物质为何落后于发光物质的一种方法是，暗物质粒子的大小是有限的，且相互分散，所以当它们想要移向系统的其余部分时，它们会被推回去。这可以解释这一观测，这也正是我的暗物质理论所预言的。”

SIMPs还克服了WIMP理论的一个重大缺陷——对小星系中暗物质分布进行解释的能力不足。Murayama说：“这是个长期的难题：如果你观察矮星系，你会发现，它们很小，很少有恒星，它们实际上是由暗物质主导的。如果你通过数值模拟来研究暗物质是如何聚集在一起的，总是会预测到中心会有很大的集中——一个‘尖点’。但观察结果似乎表明，这种集中是均匀的，分布于核心，而不是一个尖点。核心/尖点问题已经被认为是研究除引力外，无相互作用的暗物质的主要问题之一。但如果暗物质尺寸有限，像SIMP，粒子可以‘碰撞’并分散自身，这实际上会将质量轮廓向中心展开，这是这种理论观点的另一个‘证据’。”