暗物質佔宇宙質量約85%的物質，顧名思義，暗物質不發光，不易被探測到，暗物質的性質也仍然相當模糊。現在，加州大學河濱分校的理論粒子物理學家《高能物理》期刊上發表了一篇新研究論文，展示了假設存在一種新力的理論，如何有助於解釋暗物質的性質。研究的資深作者、物理學和天文學助理教授菲利普·塔內多說：我們生活在暗物質的海洋中，但對暗物質可能是什麼卻知之甚少。

這是自然界中最令人煩惱的已知未知數之一，我們知道它的存在，但我們不知道如何尋找它，也不知道為什麼它沒有出現在我們預期的地方。在過去的30年裡，物理學家們使用望遠鏡、巨大的地下實驗和對撞機來了解更多關於暗物質的知識，儘管還沒有確鑿的證據。然而，負面證據迫使像塔內多這樣的理論物理學家，更具創造性地思考暗物質可能是什麼。這項新研究提出在時空中存在一個額外維度（第四維空間）來尋找暗物質，這是加州大學河濱分校由塔內多領導一個正在進行研究專案的一部分。

根據這一理論，一些暗物質粒子的行為與粒子不同。實際上，看不見的粒子與更多看不見的粒子相互作用，使後者的行為不再像粒子一樣。研究人員表示過去兩年研究專案的目標，是將暗物質‘對話’的想法擴充套件到“暗力”。在過去的十年裡，物理學家們逐漸認識到，除了暗物質之外，隱藏的“暗力”可能會支配暗物質的相互作用。這些可能會完全改寫人們應該如何尋找暗物質的規則。如果兩個暗物質粒子相互吸引或排斥，那麼暗力就在運作。

暗力和額外維度

塔內多解釋說：暗力是由一個額外維度的理論在數學上描述，它看起來是一個粒子的連續體，可以解決在小星系中看到的謎題。加州大學河濱分校正在進行的研究計劃是“暗力”提議的進一步推廣，我們觀測到的宇宙是有三個維度的空間，研究認為認為可能存在只有透過“暗力”才知道的第四個維度。額外維度可以解釋為什麼暗物質對在實驗室進行研究的嘗試隱藏得如此之好。儘管額外維度聽起來像是一個異想天開的想法，但它們實際上是描述“共形場理論”的一個數學技巧，即高等量子力學的普通三維理論。

這些型別的理論在數學上很豐富，但不包含常規粒子，因此通常被認為與描述自然無關。這些具有挑戰性的三維理論和更易處理的額外維度理論之間的數學等價性被稱為全息原理。由於這些共形場理論既棘手又不同尋常，它們並沒有真正系統地應用於暗物質。額外維度理論的關鍵特徵是，暗物質粒子之間的作用力，是由無限多個不同質量的粒子來描述，這些粒子被稱為連續體。相反，普通力是用一種固定質量的粒子來描述。

這類連續暗區讓研究人員感到興奮，因為它做了一些“新鮮而不同”的事情。過去對暗區的研究主要集中在模擬可見粒子行為的理論上，其研究專案正在探索更極端的理論型別，大多數粒子物理學家認為這些理論不那麼有趣，可能是因為現實世界中不存在類似的理論。在這項研究理論中，暗物質粒子之間的作用力，與普通物質感受到的作用力有驚人的不同。對於引力或電力，當兩個粒子之間的距離增加一倍時，力就減少了四倍。另一方面，連續體力的“暗力”最多減少了八倍。

額外維度的“暗力”有什麼含義？

由於普通物質可能不會與這種暗力量相互作用，研究人員轉向了自我相互作用暗物質的想法，這一想法是由加州大學河濱分校物理和天文學副教授餘海波（Hai-Bo Yu）首創。即使在與正常物質沒有任何相互作用的情況下，這些暗力的影響也可以在矮球狀星系中間接觀察到，研究團隊發現，連續體的“暗力”可以重現觀測到的恆星運動。其模型比自作用暗物質模型更容易解釋暗物質的宇宙起源。

接下來，研究團隊將探索“暗光子”模型的連續體版本。對於暗力來說，這是一幅更真實的畫面，暗光子已經被詳細研究過了，但額外維度框架有一些令人驚訝的地方，同時還將研究暗力的宇宙學和黑洞物理。研究專案針對的是對粒子物理學所做的一個假設：粒子之間的相互作用可以透過更多粒子的交換得到很好的描述。雖然普通物質確實如此，但我們沒有理由認為暗物質也是如此。它們之間的相互作用可以用交換粒子的連續體來描述，而不僅僅是交換一種作用力的粒子。

博科園｜研究/來自：加州大學河濱分校

研究發表期刊《高能物理》

DOI： 10。1007/JHEP06（2021）008

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