摘要：暗物质的本质，至今仍是基础物理学中最重大的谜题之一。尽管科学家们提出了轴子（axion）、弱相互作用大质量粒子（WIMP）等众多理论假说，并付出了长达四十年的广泛实验探索，这一宇宙“幽灵”的真实身份依然悬而未决。几年前，一个旨在统一粒子物理学与引力的理论框架，

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暗物质的本质，至今仍是基础物理学中最重大的谜题之一。尽管科学家们提出了轴子（axion）、弱相互作用大质量粒子（WIMP）等众多理论假说，并付出了长达四十年的广泛实验探索，这一宇宙“幽灵”的真实身份依然悬而未决。几年前，一个旨在统一粒子物理学与引力的理论框架，催生出一种截然不同的新型暗物质候选者：超重带电引力子（gravitino）。

本研究采用的引力微子路径参数化方法

如今，来自波兰华沙大学与德国马克斯·普朗克引力物理研究所的科学家们在《物理评论研究》上发表论文指出，尽管一些新型地下探测器（JUNO）最初是为中微子物理学而设计，但它们同样具备探测这种带电暗物质引力子的巨大潜力。结合了粒子物理学与前沿量子化学的精密模拟显示，引力子在这类探测器中留下的信号，将具有独一无二且清晰明确的特征。

故事要追溯到1981年，因提出夸克是物质基本构成单元而荣获诺贝尔奖的美国物理学家默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）发现了一个耐人寻味的巧合：标准模型中的所有基本粒子（夸克和轻子），竟能被完美地包含在一个纯数学构建的、以最大对称性著称的“N=8超重力”理论中。该理论不仅囊括了自旋为1/2的标准模型物质粒子，还自带了引力部分：一个自旋为2的引力子（graviton）和八个自旋为3/2的引力子（gravitino）。

如果标准模型确实与N=8超重力理论相关，这种关联或许能为困扰物理学界数十年的终极问题——如何统一引力与粒子物理学——指明方向。更令人惊叹的是，N=8超重力理论在自旋1/2的物质粒子领域，不多不少，恰好包含了6种夸克和6种轻子，并且排除了任何其他物质粒子存在的可能性。考虑到历经四十年的高能加速器实验仍未发现任何新物质粒子，N=8超引力的物质构成不仅与现有观测相符，更是目前唯一能够解释标准模型中为何恰好是这个数量的夸克与轻子的理论框架。

然而，将N=8超重力理论直接与标准模型关联存在一些关键缺陷，最主要的问题在于，理论预测的夸克与轻子电荷值，相较于实验观测值存在±1/6的系统性偏移——例如，它预测电子的电荷应为-5/6，而非公认的-1。

数年前，波兰华沙大学物理系的克里斯托夫·迈斯纳（Krzysztof Meissner）教授与德国马克斯·普朗克引力物理研究所的赫尔曼·尼古拉（Hermann Nicolai）教授重拾盖尔曼的构想，并成功地对原始方案进行了修正，从而获得了与标准模型完全一致的物质粒子电荷值。这项修正意义深远，它指向一种被称为K(E10)的无限对称性，用以取代标准模型中的常规对称性。这项发表于《物理评论快报》和《物理评论》的修正成果带来了一个惊人的副产品：八个引力子（其质量据推测接近普朗克尺度，相当于数十亿亿个质子质量）竟然带有电荷——其中六个带±1/3电荷，两个带±2/3电荷。

由于不存在可供其衰变的更轻粒子，这些引力子虽然质量极大，却异常稳定，无法衰变。因此，迈斯纳与尼古拉提出，其中两个引力子，可能就是一种与以往所有设想都截然不同的暗物质粒子。具体而言，无论是像轴子那样极轻的粒子，还是像WIMP那样具有质子级质量的中等粒子，这些广受关注的常规候选者都因其电中性而符合“暗”物质的定义。

但引力子提供了一种全新的可能性。尽管它们带电，却依然可以担当暗物质的角色——因为其巨大的质量意味着它们在宇宙中极其稀少（据估算，整个太阳系体积内大约只有一个引力子），在天文观测上“不会在天空中发光”，从而规避了天文学对暗物质成分所带电荷的严格限制。更重要的是，引力子带电这一特性，为验证其存在开辟了一条全新的实验途径。

在所有潜在的探测设施中，地下中微子观测站（JUNO）被认为是此类探索的理想平台。该项目的主旨是探测中微子（实际为反中微子）的特性，但由于中微子与物质的相互作用极其微弱，探测器必须具备超乎想象的巨大体积。以JUNO探测器为例，其核心结构是一个直径近40米的巨大球形容器，内部装有2万吨经过特殊配方的有机合成油状液体（闪烁液），球体外围则密布着超过17000支高灵敏度的光电倍增管。

在最新的《物理评论研究》论文中，迈斯纳与尼古拉联合华沙大学化学系的阿德里安娜·克鲁克（Adrianna Kruk）和米哈尔·莱修克（Michał Lesiuk），详细分析了引力子事件在JUNO及未来液氩探测器（如深地中微子实验DUNE）中可能产生的特定信号。这项工作不仅阐述了其背后的物理与化学理论，还通过耗费大量计算资源的精密模拟，揭示了引力子以不同速度和轨迹穿过探测器液体时，会产生怎样的信号特征。

模拟结果清晰地表明，借助专门开发的分析软件，一个超重带电引力子在穿过探测器时将留下一种极其独特的信号，这种信号的模式与任何已知的粒子（包括各种宇宙射线和放射性背景）都截然不同，绝无可能被混淆。

这项分析通过融合两个看似无关的研究领域——理论与实验粒子物理学，以及现代量子化学的前沿方法——为跨学科研究树立了新的标杆。成功探测到超重引力子，将是寻求引力与粒子物理统一理论的决定性突破。由于引力子的质量被预测处于普朗克质量的量级，对其的探测将成为人类首次直接触及普朗克尺度的物理学证据，从而为那个统一自然界所有基本力的终极理论，提供宝贵的实验基石。

从轴子到引力子，你认为哪个暗物质候选者最有可能揭开宇宙的谜题？欢迎在评论区分享你的看法。

来源：智子说