别暴躁！用大白话告诉你如何通过第五维度搜寻暗物质

　　翻译：李远飞

　　校译：王延昕

　　编排：关关

　　原文链接：

　　https://www.sciencedaily.com/releases/2021/02/210201144939.htm

　　大年初二啦，为了消化一下前两天的暴饮暴食，小编决定今天让大家搞搞动动脑，学习一下理论物理，顺手请转发朋友圈炫耀一下知识面也挺好不是？

　　先聊一下粒子物理学。。。

　　Cut！

　　OK，如果大家对粒子物理学还不是很熟悉的话，小编可以在这里唠叨几句粒子物理学标准模型先。

　　粒子物理学标准模型是一套描述强力、弱力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论。具体来说，标准模型中的17种基本粒子，也就是12种费米子和5种玻色子，分别起到构成物质和传递作用力的作用。到目前为止，几乎所有对以上三种力（强力、弱力及电磁力）的实验结果都合乎这套理论的预测。但是标准模型还不是一套万有理论，主要是因为它并没有描述到引力。同时，标准模型也无法解释暗物质和暗能量的存在和中微子的质量问题。这证明标准模型起码是不完整的，缺失了一部分物理来构成万有理论。为了解释这些和现有标准模型理论有出入的证据，物理学家们提出了各种新奇的想法：弦论、额外维度、更多的基本粒子等等。

　　图源：知乎

　　其实吧，聊完这些小编依然不是很懂。。。

　　德国美因茨约翰内斯-古腾堡大学（JGU）PRIMA+精英小组（Cluster of Excellence）的理论物理学家一直致力于发展出一个包含额外维度的理论来解释标准模型和现实的出入。但直到最近，科学家们都还面临着这样一个致命的问题：他们理论的预测无法通过实验来检验。现在，他们在本期《欧洲物理学杂志C》（European Physical Journal C）上发表的文章声称他们已经克服了这个问题。

　　图源：Sandbox Studio, Chicago

　　早在20世纪20年代，西奥多·卡鲁扎和奥斯卡-克莱因为了统一引力和电磁力，推测在我们熟悉的三个空间维度和时间维度（四维时空）之外，还存在一个额外的维度。如果它存在的话，这样一个新的维度必须存在于不可思议的微小尺度，无法被人类所感知。该理论被称为“克鲁查-克莱因理论”。

　　爱因斯坦的广义相对论告诉我们，空间可以扩张、收缩和弯曲。现在，如果一个维度收缩到比原子还小的尺寸，它就会“隐藏”起来。但如果我们能从一个足够小的尺度来观察，那个被隐藏的维度可能又会变得可见。想象一下，一个人在钢丝上行走。她/他只能向前和向后移动，但不能向左和向右移动，也不能向上和向下移动，所以只能看到一个维度。而生活在更小微观尺度上的蚂蚁可以绕着缆绳移动，这对走钢丝的人来说就像是一个额外的维度。小编想起了可怜的蚂蚁在摩比斯环上无休止地爬行。。。

　　莫比乌斯环上无休止爬行的蚂蚁

　　图源：Giphy

　　20世纪90年代末，人们意识到第五维度的存在可能可以解决粒子物理学里一些顽固的问题，而第五维度的想法随之迎来了显著的复兴。尤其是斯坦福大学的尤瓦尔-格罗斯曼和时任美国康奈尔大学教授的马蒂亚斯-诺伊伯特在一篇被高度引用的文章中表明，将粒子物理学的标准模型嵌入到五维时空中就可以解释我们在基本粒子质量中看到的阶层性问题 (gauge-hierarchy  problem)。

　　这之后又过了20年，马蒂亚斯·诺伊伯特教授（Professor Matthias Neubert）的小组又有了另一个意外的发现，诺伊波特教授自2006年起任教于美因茨约翰内斯-古腾堡大学，同时也是PRISMA+精英小组的发言人。他们发现，五维场方程预言了一种新的重粒子的存在，它的性质与著名的希格斯玻色子相似，但质量要重得多。事实上，世界上最高能的粒子对撞机--瑞士日内瓦附近欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）也无法产生这么重的粒子。"这真的是一场噩梦，"参与研究的博士生哈维尔-卡斯特利亚诺-鲁伊斯（Javier Castellano Ruiz）回忆说，"我们的理论预测了一种新粒子，这让我们都感到兴奋。但是在可预见的未来中，我们似乎不可能在任何实验中证实这一预测。"

　　通过第五维度的迂回之路

　　在最近发表在《欧洲物理学杂志C》上的一篇论文中，研究人员为这一难题找到了一个令人惊叹的解决方案。他们发现，他们提出的粒子必然会在可见宇宙中的已知基本粒子和神秘的暗物质之间产生出一种新的力量。他们的理论甚至还能够解释为什么在天体物理实验中，暗物质构成了宇宙总质量的绝大部分。这为寻找暗物质的组成成分提供了新方法，字面意义上的从额外的第五维度绕道。如果这个理论被证实，我们还能够了解宇宙开始，暗物质刚产生时的物理法则。"经过多年对证据的寻找，我们现在相信我们发现的基本粒子和暗物质之间的关系将使得暗物质能够在实验室被探测到，因为普通物质和暗物质之间这种新的相互作用的性质——由我们提出的粒子作为中介——可以在我们的理论中准确计算，"研究小组负责人Matthias Neubert教授说。"最终，也是我们所希望的，新粒子可能首先通过它与暗物质的相互作用被发现。" 这个例子很好地说明了实验和理论基础科学之间富有成效的相互作用。

　　白活完了，晕了不？

『天文时刻』 牧夫出品

微信公众号：astronomycn

Cygnus Mosaic 2010 - 2020

Image Credit & Copyright: J-P Metsavainio (Astro Anarchy)