暗物質(zhì)之謎：分子開啟宇宙96%未知之門

宇宙的大部分，我們根本看不見。按照目前最主流的宇宙學(xué)模型，普通物質(zhì)，也就是所有恒星、行星、你身體里的每一個原子，加在一起只占宇宙總質(zhì)量的約4%。剩下將近96%，由暗能量和暗物質(zhì)構(gòu)成。

現(xiàn)在，來自德國美因茨約翰內(nèi)斯·古騰堡大學(xué)、美因茨亥姆霍茲研究所和PRISMA++卓越集群的研究團(tuán)隊，用一個極性分子的精密測量結(jié)果，為這個懸案打開了一扇新的窗口。他們的研究成果發(fā)表在頂級期刊《物理評論快報》上，首次對一類此前完全未被探索的相互作用施加了實(shí)驗約束，而這類相互作用，正是某些暗物質(zhì)候選粒子存在的可能信號。

粒子物理學(xué)中有一個覆蓋極廣的理論框架，叫做"粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型"，它描述了構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子以及它們之間的相互作用，預(yù)言了包括希格斯玻色子在內(nèi)的大量實(shí)驗結(jié)果，精準(zhǔn)程度令人嘆服。

然而標(biāo)準(zhǔn)模型有一個眾所周知的缺陷，它對暗物質(zhì)沒有任何解釋。

為了彌補(bǔ)這個缺口，理論物理學(xué)家提出了種種擴(kuò)展模型，其中一個頗受關(guān)注的候選者叫做"Z'玻色子"，讀作Z撇玻色子。它是一種假想的新粒子，被認(rèn)為可能是弱相互作用之外的額外媒介，也是部分理論框架中暗物質(zhì)粒子與普通物質(zhì)發(fā)生聯(lián)系的橋梁。

問題在于，之前無論是實(shí)驗室實(shí)驗還是宇宙學(xué)觀測，都沒有專門探測過Z'玻色子對電子與原子核之間相互作用的影響。這道門縫，在物理學(xué)界存在了相當(dāng)長的時間，卻被大多數(shù)研究者忽視。正如研究團(tuán)隊青年研究組組長康斯坦丁·高爾博士所說："這些結(jié)果填補(bǔ)了物理學(xué)中一個重要的盲點(diǎn)，這種相互作用機(jī)制此前無論是實(shí)驗室實(shí)驗還是宇宙學(xué)數(shù)據(jù)都未曾探索過。"

研究團(tuán)隊選擇的探測工具，是一種名為一氟化鋇（BaF）的雙原子極性分子。

這個選擇背后有深刻的物理邏輯。極性分子內(nèi)部存在極強(qiáng)的電場，它能夠自然放大極其微弱的物理效應(yīng)，讓原本難以察覺的相互作用信號變得可測量。高爾形容得很形象："極性分子就像強(qiáng)大的實(shí)驗室，可以用來探測那些科學(xué)本身無法直接觀測到的新力。"

研究團(tuán)隊重新分析了BaF分子中已有的精密測量數(shù)據(jù)，這批數(shù)據(jù)的原始來源涉及原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)的測量，即原子能級中由電子與原子核相互作用產(chǎn)生的極細(xì)微能量分裂。利用美因茨大學(xué)超級計算機(jī)MOGON 2進(jìn)行大規(guī)模數(shù)值計算，他們從這批現(xiàn)有數(shù)據(jù)中提取出了Z'玻色子對上述相互作用貢獻(xiàn)的約束條件，實(shí)現(xiàn)了對這片此前完全空白區(qū)域的首次邊界劃定。

此外，團(tuán)隊還通過銫-133原子的實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了交叉驗證，得到了類似的約束結(jié)果。但分子方法的一個突出優(yōu)勢在于，對雙原子分子的分析不依賴核理論，因此不受復(fù)雜核物理計算帶來的不確定性干擾，結(jié)果可以更加干凈和精確。這與傳統(tǒng)原子實(shí)驗方法相比，是一個方法論層面的顯著進(jìn)步。

更令人期待的，是這項工作所開啟的未來空間。高爾明確表示，下一代使用BaF等重雙原子分子的精密實(shí)驗，有望將探測靈敏度再提升100倍，使科學(xué)家能夠更深入地探索標(biāo)準(zhǔn)模型之外的未知領(lǐng)域。100倍這個數(shù)字，意味著如果Z'玻色子或類似的暗物質(zhì)媒介粒子真的存在，下一代實(shí)驗將有實(shí)質(zhì)性機(jī)會捕捉到它們的蹤跡。

宇宙的黑暗，也許會被一個小小的極性分子，一點(diǎn)一點(diǎn)地照亮。