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暗物质 |
，老师们都去玩儿啦~This is my buliding now~
在上一回末尾，我们期待把结构形成的疑难（仅有重子物质无法形成结构）和宇宙中实物密度的疑难（实物质量密度中只有10%来自于重子物质），通过引进不在粒子物理标准模型中的新粒子来解决。这里必须指出的是，我们没有要求只有一种这样的新粒子。那么这样的粒子至少得具备什么特点呢？
首先我们期待这新的粒子可以帮助重子物质形成结构，重子物质形成结构的问题在于，在各个天体尺度进视界的时刻（也就是辐射为主末期到实物为主初期这段时间1ev左右）它仍与光子保持强烈的耦合，光压抵消了部分自引力的效应。那么我们只需要要求这些新加的粒子先于重子物质退耦，那么这些粒子就先一步在自身引力作用下开始聚集。这种聚集给了重子物质以额外的引力作用，因此实际上重子物质的结构形成早于光子退耦的时刻。经过计算表明这种非重子物质和重子物质混合气体的图像可以很好的模拟出结构的形成。
关于退耦，退耦一般分为“过程退耦”和“粒子退耦”两种。
“过程退耦”的特点通常是，使某几种粒子的数密度稳定下来，而并不导致某种粒子自此不再发生相互作用，我们举两个例子：正反重子湮灭过程和宇宙膨胀相互竞争而退耦，反重子湮灭的差不多了，重子数密度和光子数密度比值稳定下来（22MeV，10^-3s）；之后中子和质子处于热平衡态，就是它们通过非弹散射互相转化，这个过程也通过和宇宙膨胀竞争而退耦，中子数密度和质子数密度比稳定下来（0.8MeV，1.56s）。重子湮灭过程退耦后中子和质子仍然维持着相互作用，中子质子非弹散射过程退耦后，中子要持续衰变，而之后中子和质子还会发生核反应。
“粒子退耦”的特点是，退耦之后某种粒子不再同其它粒子之间有任何相互作用，我们也举个例子：在上面使中子质子数密度稳定的散射过程退耦后，中子和质子要发生核反应（0.1MeV），过程中涉及中子、质子、氘、氚、氦3、氦4、锂7，核反应稳定在锂7（Li7）上（0.01MeV），最后得到约占3/4的氢离子气体和1/4的氦4离子气体。再过很久，恒星形成的过程中会产生上述原初核反应中没产生的重元素，也产生氦4但是相对较少（也就是说现在宇宙中大部分的氦4都来源于原初核反应），因此理论上我们可以计算氦4的原初数密度（不参与恒星核反应），并且测量它（通过在重元素较少的宇宙区域测量），进行比较。那么计算氦4的原初数密度就是在考虑它的退耦过程，涉及上述几种元素的相互转化过程和宇宙膨胀过程（每一种元素都有一个数密度随时间变化的微分方程），结果表明很大程度上这个思路是正确的。
这个例子相对复杂，再举两个简单的：中微子主要通过正反电子中微子湮灭到正反电子的过程，和电子中微子和电子的弹性散射过程保持热平衡，这过程和宇宙膨胀竞争的结果是，中微子永远的退出了宇宙中任何相互作用过程，成为“背景中微子”（1MeV，1s）；光子通过和电子之间的弹性散射过程和宇宙膨胀过程竞争，成为“背景光子”（0.25eV，2.4万年）。我们可以看出中微子退耦的重要原因是它只参与弱相互作用而且是稳定的，因此当这本来维持热平衡的弱相互作用被宇宙膨胀抵消掉以后，它自然就没有任何相互作用了（也不会衰变）。而光子退耦的过程发生的比较晚，发生在氢离子和氦离子和电子的电离气体中，原子复合的时间（开始于约0.4ev）早于光子退耦的时刻（0.25ev），复合开始后电子数密度很快变小，因此光子和电子的反应率也随之很快下降，再加上宇宙膨胀，光子也就在原子复合开始之后很快退耦了。
现在我们关注的是我们新加的粒子的退耦，从上面的讲述中，我们可以看出，在粒子退耦之前，维持热平衡的过程是该粒子参与的：湮灭过程、散射过程、和衰变过程。另外我们要求退耦之后粒子是稳定的，就是应该不衰变或者衰变率极小。在粒子物理里面要一个粒子不衰变的第一步，就是给它合适的量子数，使得它和其它粒子之间没有Yukawa耦合，或者即便有也是被压低的（比如说高量纲的）。人们对此有许多种尝试，构造出许多模型。
除了要求新粒子有合适的量子数以外，我们还对他在退耦以后的运动速度有要求。因为一般说来轻的粒子的退耦温度大于其质量（被称为热暗物质），比如中微子的退耦温度是1MeV，但是对于很重的粒子（被称为冷暗物质），它的退耦温度远比其质量小。这个意思就是，轻的粒子退耦后运动速度很高，而重的粒子退耦后速度很低。这个速度对结构形成影响很大。因为大速度相当于抹掉了中小尺度上的自引力的成团效应（自由程以内的范围），这个机制被称为“自由流动阻尼”。经过模拟退耦后速度大的粒子的结构形成顺序是：先形成大的结构（30Mpc，约是超星系的尺度），大的结构再断裂成小的结构。因此小的结构形成较晚，就是星系是在晚期形成的，数目应该较少，但这与实际观测严重不符合。而冷暗物质正相反，是从小到大的形成结构，但是在大尺度上的预言上会有不符合的地方（比如似乎预言不出大的宇宙空洞的存在）。另外目前的观测显示，宇宙结构的形成，应当是自下而上的。值得指出的是，之前提到的在1MeV退耦的中微子，正是这样的热暗物质，这说明，除了中微子之外，我们还需要冷暗物质的存在。
上面讲到氦4的退耦过程的计算就是一般粒子退耦过程的计算方法，而且退耦数密度最终可以被改写成相对密度的表达式，这个表达式有一个明显的特点，就是如果暗物质参与的相互作用强度在弱相互作用附近，而且质量在100GeV左右那么相对密度正好符合现在的数据。这个数值让人们有点兴奋，因为粒子物理的超对称理论中的最轻的也是稳定的新粒子正好在这个质量范围。也就是说这个粒子正好可以被看作是暗物质。但其实这个事更好的表述是，暗物质的能标应该在几百GeV到几TeV之间。不过针对暗物质本身有各种尝试，不限于这个要求。
所以话说到这儿我们已经可以看到，怎么加新的粒子（合适的量子数），以及这新的粒子要有一些什么限制了（稳定，质量不能太小，退耦后数（质量）密度合适）。那么如果它真的存在，在实验上能否看到呢？实际上正如你们所知，现在各国有一系列试验，指望看到暗物质湮灭的信号，但是看到的这些信号不一定来自暗物质，因为一来因为暗物质的湮灭率本身已经很低，二来宇宙中电信号和光信号总有各种复杂的来源。所以最好是能在对撞机上直接捕捉到，如果暗物质不是太重。
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