从银河系中心远道而来的反物质，能为暗物质研究指明方向吗？

宇宙射线碰撞，还是暗物质湮灭——反物质是如何产生的？

反物质粒子在大型强子对撞机中进入离子对撞机实验粒子探测器（ALICE）示例（图片来源：星族源起/S.科沃卡）

新的发现表明，轻原子核的反物质在被吸收之前，可以在银河系中传播很远的距离。

随着这些粒子的传播，它们可能会成为暗物质的“信使”。因此这一发现，可能有助于天文学家寻找暗物质。暗物质是一种神秘的物质，约占宇宙总质量的85%。但由于暗物质不与光相互作用，因此它是不可见的。

与粒子探测器实验（ALICE）合作的科学家们使用反氦核得出了这一发现。反氦核是氦核的反物质，它是由重原子核在大型强子对撞机（LHC）中碰撞而产生的。

ALICE物理协调员安德里亚.戴尼斯在一份声明中表示：“我们的研究首次以直接吸收测量为基础，其结果表明，来自遥远的银河系中心的反氦-3核可以到达近地位置。”

尽管这种形式的反物质可以在LHC等粒子加速器中产生，但地球上并没有反物质核或“反核”的自然来源。相反，这些反粒子是在银河系其他地方自然产生的，而科学家们倾向于两种可能的来源。

反核的第一个可能的来源，是太阳系外高能宇宙辐射与填充在恒星之间的所谓星际介质原子之间的相互作用。

反核的另一个可能的来源，是散布在整个星系中的暗物质粒子的湮灭。虽然科学家们对暗物质所知甚少，但他们确信，暗物质并不是由质子和中子等这种构成恒星、行星以及我们自身等这些日常物质的粒子构成。相反，科学家们认为，暗物质是由一系列有着丰富多彩名字的粒子构成的，如WIMP（弱相互作用大质量粒子）和MACHO（大质量致密晕天体）。一种情况表明，当暗物质粒子发生碰撞时，它们会湮灭成普通粒子，然后衰变成轻物质和反物质粒子，比如，电子和正电子（电子的反物质对应物）。科学家们希望，如果暗物质湮灭确实是宇宙中反物质的一种来源，那么反物质可能会为暗物质的研究指名方向。

反物质“通量”

对暗物质的探索，促进了太空任务的发展，如国际空间站（ISS）上的阿尔法磁谱仪（AMS）任务。阿尔法磁谱仪是在大型强子对撞机的所在地欧洲核子研究中心设计的，目的是在宇宙中寻找可以表明神秘暗物质存在的轻反物质核。

但是为了确定暗物质是否是反核的来源，进行阿尔法磁谱仪（AMS）和类似实验的科学家首先需要知道，有多少轻反物质可以穿过银河系到达近地位置，这也被称为反粒子的“通量”。

这一通量取决于几个因素，包括反物质源、产生反核的速率，以及反核从银河系中心向地球移动时消失的速率。当反物质粒子遇到传统物质粒子时，这种消失就会发生；要么两者都湮灭，要么反物质被正物质（传统物质）吸收。

ALICE合作者们通过使用大型强子对撞机来碰撞被电离或剥离电子的铅原子，研究了反物质的消失。物理学家们然后又通过ALICE探测器测量了这些碰撞产生的反氦-3核是如何与正常物质相互作用的。这一实验首次揭示了反氦-3原子核在遇到普通物质时的消失率。

然后，研究人员使用计算机程序模拟了反粒子在星系中的传播，并将ALICE测量出来的消失率引入该模型。这个模型使研究人员能够将他们的结果外推到整个星系，并研究产生反核的两种可能的机制：一种模型假设反物质来自宇宙射线与星际介质的碰撞，另一种模型将反物质归结于一种被称为弱相互作用大质量粒子（WIMP）的暗物质的假设形式。

对于每一种机制，ALICE团队都估计了银河系对反氦-3核的透明度——也就是说，反氦-3核在被摧毁或吸收之前可以自由移动的距离。这些模型显示，暗物质模型的透明度约为50%，宇宙射线碰撞模型的透明度在25%至90%之间，具体取决于产生的反核的能量。

这些数值表明，源自任何一个过程的反氦-3核都可以传播很长距离——高达几千帕秒差距，每千帕秒差距相当于大约3300光年。（根据美国国家航空航天局的数据，银河系的宽度约为30千帕秒差距。）

这些结果在未来的实验中可能很重要，这些实验将计算有多少反核到达地球周围，以及以什么形式的能量到达，这样就有希望确定这些反粒子的起源是宇宙射线碰撞还是暗物质湮灭。

ALICE发言人卢夏诺.穆萨在同一份声明中表示：“我们的发现表明，从外太空寻找轻反物质核仍然是寻找暗物质的有力途径。”。

相关知识

暗物质是一种假设的物质形式，被认为约占宇宙物质总量的85%。暗物质之所以称为“暗”，是因为它似乎不会与电磁场相互作用。这意味着它不会吸收、反射或发射电磁辐射，因此很难被探测到。各种天文物理观测——包括目前公认的引力理论无法解释的引力效应，除非存在的物质比可以看到的物质多——都暗示着暗物质的存在。因此，多数科学家认为宇宙中存在大量暗物质，这些暗物质对宇宙的结构和演化产生了强烈影响。

作者：Robert Lea

翻译：Asis Rui（QQ号76545977；QQ昵称：Asis）

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大型强子对撞机揭示反物质能在银河系中走多远