存在弱作用巨粒子吗?
弱作用巨粒子,又称WIMP粒子,要想了解它的来龙去脉,还得从离地球最近的恒星——太阳的发光发热说起。
早在1854年,德国物理学家亥姆霍兹就认识到,太阳上的光和热决不可能是通过一般的化学反应而产生的,于是他提出了所谓的引力收缩假说,即根据能量守恒原理,由太阳收缩而产生的引力势能转变为光和热。他估算这种能源可维持3 000万年左右。但是,地质学家和古生物学家的研究表明,地球和地球上的生物至少已经存在几十亿年了。可见,太阳寿命何止3 000万年啊!这说明亥姆霍兹错了。
20世纪初期,人们发现了放射性现象和原子可变性现象,尤其是相对论创始人爱因斯坦提出了著名的质量能量转换公式:E=mc2,这为探索太阳能源开辟了新的道路。当时,英国天文学家爱丁顿猜想,如果太阳上的电子和质子互相湮灭,它们的质量会转化为辐射能,即光和热,足够太阳维持1万5千亿年。可是,当中子被发现以后,人们才知道,电子和质子挤在一起并不会湮灭,而是转变成中子,这样,爱丁顿的猜想又错了。
1938年,从德国流亡到美国的物理学家贝特和德国物理学家魏扎克各自独立地提出了恒星能量产生的现代理论,当然也包括太阳。这个理论认为,在太阳里面高温、高密、高压条件下,四个氢原子核,即四个质子,聚合成一个氦原子核。这样的过程比化学过程释放的能量要大100万倍。根据这个理论,预计的太阳寿命长达100亿年,目前太阳正处在中年时期。
在氢聚合成氦的过程中,会产生光子和中微子。要检验贝特和魏扎克关于太阳能源的理论,必须计算光子和中微子的个数。但是,光子在到达太阳表面之前,已经经历了几百万年的转换和扩散的时间,相比之下,中微子的个性是独来独往,不与任何物体纠缠,它从诞生到到达地球,只要花大约八分钟时间。因此,检验太阳能源理论的职责就落在了中微子身上。
目前正在美国宾夕法尼亚州工作的化学家瑞·戴维斯在实验中测到的中微子数目是2SNUS(SNUS是甲微子数的计量单位)。但是,美国普林斯顿高级研究所的约翰·巴考尔曾经预言这个数值是7SNUS,双方的数值相差5SNUS,这就是闻名于世的“太阳中微子失踪案”。双方争论了17、18年,到现在还没有平息。通过进一步的研究,科学家们发现,太阳内部温度的下降会使中微子数减少。
美国加利福尼亚大学的约翰·佛克纳,国立大气研究中心的桑塔·克露兹和罗那德·吉利兰德认为,太阳核内应该有新粒子存在,只有这种新粒子可以降低太阳核内的温度,从而降低理论上的中微子数。这种新粒子是什么呢?就是弱作用巨粒子。科学家给这种新粒子描述了许多与众不同的性质:首先它必须有较大的质量,能够潜到太阳内核中去,在那里它将从温度较高的热光子那里抢来一点热量;然后它又必须朝较冷的太阳外核方向前进,在那里,把抢来的热量送给温度较低的冷光子。它在太阳核中扮演的就是这种“劫富济贫”的侠客角色。这样,弱作用巨粒子就能在不改变太阳核总温度的条件下,把热量从内核传输到外核,太阳的内核就造成了温度比较低的“小气候”,正是这种“小气候”,产生出戴维斯在实验中所观测到的比较少的中微子数。
意味深长的是,虽然弱作用巨粒子是佛克纳和吉利兰德首先提出来的,但是美国哈佛—斯密斯少尼大气物理中心的威廉佩雷斯和戴维德·斯贝格尔两位科学家在不知道情况的条件下,也独立地构造了这种新粒子,不过他们称之为“宇宙子”。
科学家们猜测,弱作用巨粒子应该沿着银河系的一个巨大圆形轨道飞行,但有时也可能误入歧途,飞到太阳管辖的领域里去,成为太阳的手下败将,被太阳活活擒拿,囚禁在太阳庞大无比的核内,终日行使劫富济贫、传输热量的侠客义务。
宇宙学家们甚至还利用这种新粒子来解决非常棘手的宇宙质量失踪案件。因为实际测得的宇宙质量只占理论计算的10%,另外90%在哪里呢?他们猜想,这些失踪的物质就是弱作用巨粒子。
当然,弱作用巨粒子的存在还需要由科学家用实验来直接验证,一旦确证,那么,太阳中微子失踪案和宇宙质量失踪案的真相就会大白于天下。尽管目前还没有找到它,但科学家相信,这两大失踪案的解决是非它莫属的。为此,他们专门研制了寻找它的探测器,有的科学家甚至还夸下海口说,如果弱作用巨粒子是子虚乌有的东西,那么上帝将失去一次伟大的机会。
真的存在弱作用巨粒子吗?人们期待着科学家的回答。