《科學》：作為暗物質線索的「暗光子」可能並不存在

據4月13日的《科學》雜誌報道，科學家們進行了一種超精密測量，來檢測粒子物理學家們提出的標準模型（Standard Model）。在對精細結構常數（fine structure constant）進行測量後，科學家們發現，在探索暗物質時被預言的神秘粒子「暗光子（dark photon）」，可能並不存在。

暗物質與暗光子

科學家們在觀測宇宙時，發現幾乎所有天體的運轉速度都要比萬有引力定律所估計的更快，這意味著宇宙中的大部分質量都是「不可見」的，也就是所謂的暗物質。許多年來，暗物質是一直困擾著科學家們重要難題，因為種種跡象都表明了它們存在的可能，但是卻一直沒有直接的實驗證據真正捕獲到它。

通常，兩個質子在相互靠近時，可以釋放出光子——電磁力的載體——並彼此交換吸收產生作用力。與此類似，科學家們根據一些天文現象推測，暗物質之間同樣可能存在這種力的作用，而且，這種力的作用並不會影響到普通物質。於是他們預言，暗物質之間，可能存在一種由交換「暗光子」形成的力。

因此，作為普通光子的孿生兄弟，暗光子的存在與否就成了尋找暗物質的重要線索之一。

但是，近期的一項研究中，科學家嘗試直接精確測量了標準模型中的精細結構常數，這一實驗的結果表明，暗光子有可能不存在。

對精細結構常數的直接測量

粒子物理學家使用標準模型來描述亞原子粒子之間的物理作用，並以此來推導精細結構常數的值。精細結構常數是一個重要的無量綱常數，表示電子在第一波爾軌道上的運動速度與真空中光速的比值。要測得這個值，必須知道電子磁矩。以前，科學家們只能通過間接方法推算這個數值，但新的研究中採用了更為直接的方法。

實驗中，研究人員將銫原子準確的向一個方向發射，然後用激光擊中它們，使其進入量子疊加態，成為兩個相互干涉的原子流。再將其重新匯合時，原子正好會以合適的方式相互干涉，讓科學家們可以計算出原子在被激光擊中時的速度，這個速度揭示出原子從激光中受到了多大的力，從而可以精確的計算出電子與光子的耦合強度，進而得出精確的精細耦合常數。

這與暗光子有什麼關係？

本次實驗與暗光子的關係在於：由於本次測量的手段非常直接，所以，如果暗光子存在，那麼就一定會與普通光子混合在一起參與實驗。但是暗光子不會與普通物質發生作用，因而，它們的存在就意味著這種測量方式得到的結果應該與標準模型中的預測值不同，文章的通訊作者，加州大學伯克利分校的物理學家霍爾格·穆勒（Holger Müller）說道。

這項研究中測得的精細結構常數值確實與標準模型所預測的值有偏差，但是很遺憾，這種偏差與「暗光子存在的情況恰好相反」，穆勒說。也就是說，出現偏差的方向與暗光子所應產生的效果正好相反，「這就好比有人偷了你的錢，但你打開錢包時，發現錢比被偷前還多」，穆勒說道。

精細結構常數的測量值，決定了電子和光子之間相互作用的強度。現有結果意味著，在很大的一個質量與耦合強度的範圍內，暗光子都不可能存在。或者，如果暗光子確實存在，那它就要比先前預計的重的多。

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