科学家在宇宙射线中检测到超量反物质，表明暗物质可能会以超越人类当前认识的方式存在。

根据真实巡天数据绘制的特定天区暗物质分布图。暗物质密集区在图中被着以粉红色。ESO

现代宇宙学面临的最大挑战之一，是揭示暗物质的本质。我们知道它存在的迹象，甚至算出了它如果存在，必然占宇宙物质总量的85%以上，却从未直接看到过它，也不知道它究竟是什么。

近日发表在《宇宙学和天体粒子物理学杂志》上的一项研究，对宇宙中反物质的踪迹进行了检测，其结果符合流行的暗物质理论，但同时表明，这些暗物质粒子可能拥有更多的未知特性。

这种粒子理论上是所谓弱相互作用大质量粒子的一种。研究结果表明，针对宇宙射线中反物质核的最新观测结果，与宇宙中存在弱相互作用大质量粒子这一假设是相符的。研究结果也同时暗示，这些粒子可能比人们之前认为的更奇特。

几年之前，科学界一直在等一个奇迹。理论上对所谓弱相互作用大质量粒子的假设，似乎满足暗物质的所有特性。这种假想中的粒子，连同检测它们的方法一经提出，许多人便认为，在几年内，人类便可获得能够证明它们存在的首个直接证据。

然而事实恰恰相反。通过近年来的研究，主要是对理论上它们可能会产生的特殊发射线的探测，一类又一类的弱相互作用大质量粒子假设被排除，这表明它们在现实的宇宙中可能并不存在。时至今日，虽然并非所有弱相互作用大质量粒子的假设都已被证伪，但它们的理论类型，以及可供探测的手段实际上都越来越少。许多弱相互作用大质量粒子理论模型原本被很多人深信，但现在事实上很多已被排除。

不过新的研究结果显示，通往弱相互作用大质量粒子的大门并未彻底关闭。研究人员称，国际空间站上搭载的阿尔法磁频谱仪（AMS-02）在宇宙射线中探测到了超量的反物质原子核，尤其是反氦核的存在。而这出乎所有人的意料。

反物质其实也属于相对于暗物质而言的常规物质。但反物质粒子所带的电荷与物质是相反的。物质粒子中有一些带负电荷，如电子；有一些带正电荷，如质子；而有一些是中性的。而反物质粒子是物质粒子的镜像，它的电子是带正电荷的，被称为正子；它的质子是带负电荷的，被称为反质子。正反物质一旦相遇，就会相互湮灭，转化为强伽马射线。我们的宇宙中，物质占统治地位，只有极少量的反物质。为什么会这样，则是另一个谜。

根据当前的认识，宇宙中存在的少量反物质，一小部分是在宇宙大爆炸的过程中形成并遗留下来的，而大部分则是通过特殊天文事件持续产生的。这部分反物质的量，对于观测研究而言相当重要。

假设我们预期星际介质产生的反物质粒子量会维持在一个非常低的水准，而实际上观测结果却超过了这个水准，那就意味着在宇宙中，正在发生一些不寻常的事。而新的观测结果显示，宇宙射线中存在超量的反氦核。这让一些科学家十分兴奋，因为在当前的暗物质理论框架内，假想中的弱相互作用大质量粒子，就能够产生这些反氦核。暗物质理论认为，两个弱相互作用大质量粒子一旦相遇，就有可能发生湮灭并释出能量，并同时产生物质和反物质粒子。

研究人员在分析之后确认，他们观测到的这些反氦核的产生，有一些很难用已知的天体物理学现象来解释，甚至用暗物质理论也难以解释。

一方面，AMS-02探测到的反物质核，尤其是反氦核的量远远超越了理论预言。理论预测认为，每10年才能观测到一个反氦核；而实际上观测到的反氦核数量高出了好几个数量级。

而另一方面，观测到的反氦核分为两类，分属两种不同的同位素。一种是反氦3，另一种是反氦4。不同的同位素是同一种元素，但它们原子核中的中子数量不一样。反氦4要比反氦3多一个中子，更重一些，也更少见。越重的原子核越难产生，尤其是在自然条件下。因此在宇宙射线中发现如此多的反氦核，尤其是反氦4核，是一个非常反常，同时又非常明显的信号。

研究人员表示，即使是最为乐观的弱相互作用大质量粒子理论模型，也无法解释宇宙射线中会出现如此之多的反氦4核。这似乎向我们暗示，如果确实存在弱相互作用大质量粒子，那么这种粒子比理论预言更为奇特。

研究人员认为，这或许表明弱相互作用大质量粒子暗物质理论模型并没有被完全否定，但它需要进行扩展或调整。当然也有其他可能，那又会是什么呢？

参考Cosmic-Ray Propagation Models Elucidate the Prospects for Antinuclei Detectionhttps://arxiv.org/abs/2404.13114