她要在黑洞邊緣，驗證最瘋狂的暗物質理論

來源：環球科學

暗物質粒子是什麼？這是縈繞在所有理論物理學家心中的疑團。物理學家相繼提出了軸子、WIMP粒子等暗物質候選粒子，也試圖通過天上地下的多個實驗尋找暗物質，但它們仍然未見蹤影。相比於這些微觀世界中的候選粒子，希臘理論物理學家Asimina Arvanitaki提出的暗物質理論足夠大膽。在她看來，形成於黑洞超輻射的暗物質粒子，足足有一顆行星那麼大！這個與衆不同的假說，是怎樣提出的？

特立獨行

“起初，我們也覺得這很荒謬。” 在加拿大圓周理論物理研究所的辦公室中，Asimina Arvanitak這樣說道。天文學家推測，宇宙中存在看不見的暗物質，它們爲星系聚在一起提供引力。對於Arvanitak的想法——黑洞產生的行星大小的漩渦狀粒子云就是暗物質，我們一點都不驚訝。

這可是Arvanitaki的專長，她是第一位在圓周理論物理研究所獲得教授職稱的女性。她喜歡把被忽視的想法（不管它們聽起來多麼遙不可及）拿出來，然後設計出巧妙、便宜的實驗來檢驗它們。

Arvanitaki的專業能力，再加上她異乎尋常的工作風格，讓她在這一領域別具一格。“我很容易感到無聊，”她說，“我想看看特別的東西。否則，還有什麼意義呢？”

Arvanitaki喜歡太空，也喜歡汽車，但她不得不在上高中時，在工程學和物理學之間作出選擇。“我知道，我更感興趣的是事情爲什麼會發生，而不是如何發生。”

如今，她的目標是發現一些真正有意思的東西。粒子物理學的標準模型方程不僅描述了已知的所有粒子，還包括了這些粒子通過除了引力外的另外三種力如何相互作用。儘管這已經足夠偉大了，但仍然遠非完美：它沒有提到引力，也沒有提到暗物質，而且也不能解釋引力爲什麼如此微弱，比如你每拿起一杯水就相當於克服了整個星球的引力。

這些謎團的線索本應來自於物理學的旗艦實驗——坐落於瑞士日內瓦附近的大型強子對撞機（LHC）。許多業內人士都在期盼，大型強子對撞機能找到超對稱粒子。超對稱理論爲每一個已知粒子引入了一個超重同伴，這或許可以解釋暗物質的存在。但許多人對此表示懷疑，還有一些人則提議建造更大的對撞機。

“作爲年輕人，我們多少知道，很多方法都已經嘗試過了。我們不想只研究別人已經研究過的東西。”於是，當時在斯坦福大學讀研究生的Arvanitaki開始將目光投向那些不可能在對撞機中出現的東西。

黑洞旁的軸子

她被“軸子”（axion）所吸引。軸子是20世紀70年代提出的一種假想粒子，如果能證明軸子的存在，將破解粒子物理學領域的一個未解之謎——強相互作用的電荷-宇稱問題。軸子非常輕，不帶電荷，是暗物質的可能候選者。但問題是，軸子幾乎不與宇宙間任何物質發生相互作用，所以它們永遠不會出現在大型強子對撞機上。這可能是軸子失寵的原因之一。

2010年，爲了復活軸子理論，Arvanitaki和同事引入了弦論。弦論提出了十維空間（雖然還有待檢驗），除了現實世界中的四維，其餘六維必須足夠緊緻，否則我們就能探測到它們了。根據Arvanitaki的觀點，正是這種豐富的超維度結構產生了各種超輕軸子——她稱之爲“string axiverse”。

行星大小的粒子云，正是基於這一猜想。當Arvanitaki寫出“axiverse”的字符時，一位同事問她是否聽說過黑洞超輻射。Arvanitaki沒聽過。但是，在花了一年時間思考後，她開始意識到，如果軸子確實存在，黑洞超輻射可能會讓我們發現軸子。

超輻射是一種在某些類型的激光中倍增光子的完備過程，同樣適用於天體物理尺度。如果你有一個光子（根據量子力學，同時也是一種波），你向旋轉的黑洞發射它，它會從黑洞中提取能量和角動量。換句話說，黑洞會給光子一個力。現在，如果你進行同樣的操作，但是把無靜止質量的光子換成有質量、帶引力的粒子，比如軸子，情況就不一樣了。

“軸子波從旋轉的黑洞散射，由於黑洞的引力，隨後又反彈回來，如此往復。黑洞會不斷將一些能量加給它們，最終軸子呈指數增強。”Arvanitaki說。黑洞超輻射會產生一團由軸子構成的巨大粒子云，這些軸子將以有序的方式排列，她補充說，“這很像原子軌道的形態，只是規模更大”。

問題是，爲了製造這些所謂的“黑洞原子”，軸子的波長必須與黑洞的直徑一樣。波長與質量成反比，但軸子偏偏屬於質量超輕的粒子。“我們傾向於認爲粒子很小，但理論上講，它們沒有理由不可以像星系一樣大，”Arvanitaki說。

對少數人來說，這並不陌生。Arvanitaki與同事最近發現，軸子云可見於引力波的信號中。在這種情況下，不需要黑洞相互碰撞，雲團內軸子之間的碰撞湮滅會產生引力子——構成引力波的粒子。軸子和黑洞的結合，戲劇性地產生了Arvanitaki所描述的在各個方向都閃耀着的“引力信號”。Arvanitaki希望從引力波信號中找到這樣特徵性的信號。爲此，她一直與LIGO的研究人員合作，準備探測器的第三次運行。這次運行在今年4月開始後，立即檢測到了引力波。預計每隔幾周，研究團隊就會繼續發現引力波信號。她將從這些信號中，繼續尋找暗物質的線索。