科学家将暗物质的“重量”缩小了万亿倍
科学家终于开始弄清楚暗物质——这种几乎无法察觉的物质，据说能对所有东西产生牵引力，却不发光——到底有多重。
这个新的估计有助于确定它的粒子有多重——这对于揭示这种神秘物质的本质有着重要的意义。
这项研究大大缩小了暗物质粒子的可能质量范围，从之前估计的10^minus 24电子伏特（eV）和1019千兆电子伏特（GeV）之间，缩小到10minus 3 eV和10^7eV之间——这是一个比以前小了万亿万倍的质量范围。这一发现可能有助于暗物质猎人们将他们的努力集中在指示的粒子质量范围上——或者他们可能揭示出宇宙中存在着一种以前未知的力量。
暗物质是什么？据一些估计，暗物质占据了宇宙中所有物质的83%。人们认为它只能通过引力与光和普通物质相互作用，这意味着它只能通过它弯曲光线的方式来被看到。
天文学家在20世纪30年代观测一个星系团时发现了暗物质的第一个线索，而认为星系是由暗物质的巨大光环穿过和环绕的理论在20世纪70年代之后成为主流，当时天文学家意识到星系的旋转速度比它们所包含的可见物质所能说明的要快得多。
暗物质的探测方法主要有三种：直接探测，间接探测和粒子对撞探测。直接探测是利用暗物质粒子与普通物质粒子的碰撞产生的信号来寻找暗物质的存在，例如PandaX，XENON和LUX等实验。
间接探测是利用暗物质粒子的湮灭或衰变产生的高能粒子或辐射来寻找暗物质的存在，例如Fermi-LAT，AMS和H.E.S.S.等实验。
粒子对撞探测是利用加速器产生的高能粒子对撞来产生或探测暗物质粒子，例如LHC，ILC和CEPC等计划。
暗物质粒子的可能候选者包括幽灵般的微小粒子，称为中微子，理论上的冷暗物质粒子，称为轴子，以及被提出的弱相互作用的大质量粒子，或WIMPs。新的质量界限可能有助于排除其中的一些候选者，这取决于具体的暗物质模型的细节，Calmet说。
科学家所知道的是，暗物质似乎只能通过引力与光和普通物质相互作用，而不是通过其他任何基本力；因此，研究人员使用引力理论来得出暗物质粒子质量的估计范围。
重要的是，他们使用了来自量子引力理论的概念，这导致了一个比之前只使用爱因斯坦的广义相对论的估计更窄的范围。
爱因斯坦的广义相对论是基于经典物理学的；它完美地预测了引力在大多数情况下的工作方式，但是在量子力学效应变得显著的极端情况下，它就会崩溃，比如在黑洞的中心。
另一方面，量子引力理论试图通过量子力学来解释引力，而量子力学已经能够描述其他三种已知的基本力——电磁力，使大多数物质聚合在一起的强力，以及导致放射性衰变的弱力。然而，目前还没有任何量子引力理论有强有力的证据支持。
物理学家们使用来自广义相对论的值来估计暗物质粒子的质量下限，使用来自量子引力理论预测的暗物质粒子的寿命来估计上限。来自广义相对论的值的性质也定义了上限的性质，所以他们能够得出一个不依赖于任何特定的量子引力模型的预测。
他说，这项研究发现，虽然量子引力效应通常几乎可以忽略不计，但当一个假设的暗物质粒子需要非常长的时间才能衰变，以及当宇宙的年龄大约和现在一样（大约138亿年）时，它们就变得重要起来。
他说，物理学家以前估计，暗物质粒子的质量必须比“普朗克质量”轻——大约是1.2 x 10^19 GeV，至少比已知的最大的粒子重1000倍——但又必须比10^minus 24 eV重，才能符合对已知包含暗物质的最小星系的观测。
但他说，直到现在，很少有研究试图缩小这个范围，尽管在过去30年里，人们在理解量子引力方面取得了很大的进展。“人们以前根本没有关注量子引力对暗物质的影响。”
暗物质的理论模型有很多，其中最流行的是超对称理论，它认为每种已知的粒子都有一个对应的超对称粒子，其中一些可能是暗物质的候选者，例如中性子。超对称理论还可以解释宇宙中的其他一些谜团，例如引力和其他基本力的统一，以及物质和反物质的不对称性。然而，目前还没有实验发现任何超对称粒子的迹象，这使得超对称理论面临着严峻的挑战。
暗物质的另一个可能的理论框架是额外维度理论，它认为除了我们所熟知的三个空间维度和一个时间维度之外，还有一些隐藏的维度，其中一些可能是暗物质的来源。额外维度理论也可以提供一种解释引力和其他基本力的差异的方法，因为引力可能是唯一一种能够渗透到额外维度的力，而其他的力则被限制在我们所观察到的维度上。额外维度理论的一个著名的例子是弦论，它认为所有的粒子都是由不同振动模式的一维弦组成的，而弦的振动需要多于四个维度的空间来实现。
暗物质的研究不仅对于理解宇宙的结构和演化有重要的意义，也对于探索物理学的基本规律和新的物理现象提供重要的启示。暗物质的存在可能表明我们目前的物理理论是不完备的，需要引入新的概念和机制来描述它。暗物质的探测也可能为我们揭示一些未知的自然力或粒子，从而拓展我们对于宇宙认知和能量的掌握。
暗物质的研究还可能为我们提供一些关于宇宙的起源和命运的线索，例如暗物质是否与暗能量有关，暗能量是否是导致宇宙加速膨胀的神秘力量。
暗能量的本质也是一个未解之谜，它可能是一种均匀分布在空间中的能量密度，也可能是一种与引力有关的新的动力学效应，或者是一种暗物质的特殊形式。暗能量的研究需要结合多种观测手段，例如超新星，宇宙微波背景辐射，大尺度结构，引力透镜等，来精确测量宇宙的几何和动力学参数，从而揭示暗能量的性质和演化。