(Inside Science) — 宇宙中85%的物质被认为是“暗”物质，人眼和我们的科学仪器都无法看见。但科学家们并不知道暗物质是由什么组成的，也不知道它在早期宇宙中是如何产生的。
现在，一群研究人员提出了关于这种神秘物质的一个新“配方”：一个暗物质粒子与一个普通物质粒子碰撞，并将其转化为一个新的暗物质粒子。这个过程会一直持续，直到宇宙稳定到今天存在的暗物质含量。
“有无数种模型可以解释暗物质，”奥斯陆大学（挪威）物理学家、这篇发表在11月《物理评论快报》期刊上的新论文的作者之一 Torsten Bringmann 说道。“如果你写下一个模型，它就应该包含一种产生暗物质的机制，以及一种解释我们所知道的暗物质的唯一事物——即它有多少——的方法。”
科学家们知道暗物质必须存在，部分原因在于星系的边缘旋转速度比预期要快——快到根据星系中普通物质的含量，星系应该会解体。但幸运的是，它们仍然存在。因此，一定存在某种看不见的物质帮助将它们维系在一起。
暗物质也曾通过星系团（这些星系团也不应该聚集在一起）以及早期宇宙辐射的波动（称为宇宙微波背景辐射）被间接观测到。
“几乎可以肯定，宇宙中存在某种形式的暗物质，并且它实际上构成了物质的一个非常重要的组成部分，”法国安纳西-勒-维厄理论物理实验室的物理学家 Geneviève Bélanger 说，她并未参与这篇新论文的研究。
Bringmann 说，大约20年前，物理学家们认为暗物质最有可能由假想的但未被观测到的弱相互作用大质量粒子（WIMPs）组成。这些粒子会通过弱相互作用与普通物质相互作用，弱相互作用是宇宙四种基本力之一。虽然它实际上比引力更强，但弱相互作用仅在亚原子层面有影响。
WIMPs 在早期宇宙中可能产生和湮灭的一种方式是被称为“冻结”（freeze-out）的机制。根据这个理论，暗物质 WIMPs 会与普通物质一起被挤压在早期宇宙一个致密、炽热的空间中，允许两个暗物质粒子碰撞并转化为两个普通粒子，反之亦然。
随着宇宙的膨胀和冷却，普通物质粒子将无法获得足够的能量来碰撞并产生暗物质。暗物质粒子碰撞的机会也会趋近于零。“如果宇宙膨胀如此之快，[暗物质粒子]相遇的机会就会越来越渺茫，”Bringmann 说。随着时间的推移，宇宙中的暗物质含量将趋于稳定。
粒子物理学的独立理论也暗示了 WIMPs 的可能存在。但多年来，物理学家们一直在使用粒子对撞机和地下探测器来寻找 WIMPs，但他们还没有发现任何。
这并不意味着 WIMPs 不存在。俄克拉荷马大学的物理学家 Howard Baer（他并未参与这篇论文的研究）说，WIMPs 可能存在但正在避免被探测到。但 Bélanger 说，由于至今没有人看到 WIMP，“人们开始探索其他替代方案来解释这种暗物质。”
暗物质产生的一种替代解释是“冻入”（freeze-in）机制。这种假说表明，宇宙开始时几乎不存在暗物质，并且普通物质和暗物质粒子通过某种新的、未发现的、比弱相互作用更弱的力连接。在冻入的情况下，普通物质粒子会随着时间的推移碰撞并产生暗物质，最终稳定在今天宇宙中的暗物质含量。
与冻入机制一样，Bringmann 和同事提出的新机制也始于少量暗物质粒子以及比弱相互作用更弱的粒子间相互作用。但他们没有声称普通物质碰撞产生暗物质，而是提出暗物质粒子和普通物质粒子可以碰撞并产生两个暗物质粒子。这将导致暗物质含量呈指数级增长，因为越来越多的暗物质与普通物质碰撞并产生更多的暗物质。“一旦你进入这种自我繁殖的阶段，它就会爆炸，”Bringmann 谈到他们提出的机制时说。
Bélanger 说，这个机制“是一个完全可行的替代方案，而且非常值得考虑。”
底特律韦恩州立大学的物理学家 Nausheen Shah（他并未参与这篇新论文的研究）说，研究人员现在必须将这种机制融入到早期宇宙暗物质演化的一个更宏大的模型中。Shah 还表示，虽然还需要更多的模型构建，但作者们在这篇论文中确实为一种可能有效的、引人入胜的简单模型提供了基础。
为了检验一个模型，研究人员可以寻找该模型所暗示的今天宇宙中应该看到的东西。Bringmann 说，通过探测宇宙微波背景辐射中特定的畸变，可能有可能支持这个简单的模型。
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