科学家们喜欢探索神秘的事物。当他们的预测被证实，欣喜自然不言而喻；若实验与预期结果不同，就很耐人寻味。

近年来，在粒子物理学和天体物理学中出现了几种反常现象。

有时这样的结果可以用设备故障来解释，有时它们会在更严格的测量中消失。但有时它们会留在原地等着被理解。

最近一些异常现象的有趣之处在于，它们都有可能被一个未被发现的粒子或力的影响所解释。它们中的任何一个都可能是暗物质存在的迹象——暗物质是一种神秘的物质，占我们宇宙物质的85%。

我们称它为暗物质，主要是因为它不可能被看到，虽然它无处不在，但我们对它知之甚少。我们知道有些东西对星系的聚集和恒星的运动负有责任，但是我们从来没有直接观察过它。

世界各地都有专门为寻找这种神秘的物质设计的实验室。但是，如在非暗物质实验中发现以下异常现象，可能有助于揭示宇宙中这个原本黑暗的部分。

被暗物质包围绕着的地球想像图

μ子 g-2

μ子（电子更重的表亲）在磁场中的行为很奇怪。今年早些时候，费米实验室的μ子g-2合作项目宣布了对μ子在磁场中「摇摆」程度的测量，维持了2001年布鲁克海文国家实验室的结果。问题是，这两个结果似乎都与标准模型的预测大相径庭。

科学家们知道，像μ子这样的基本粒子的行为会受到其他亚原子特性的影响。一个μ子可以瞬间发射和重新吸收其他虚粒子，这种行为被称为量子涨落。

为了理解μ子的摇摆，科学家们进行了复杂的计算，记录了所有可能发生涨落的影响。如果实验测量和科学家的预测成立，可能是预测中缺少一个粒子。

「事实证明，有一些关于如何纠正这个问题的想法，也非常自然地解决了暗物质问题。」加州大学欧文分校教授乔纳森·冯说，他在2001年实验结果最初宣布的几天后，与康斯坦丁·马切夫在一篇论文中首次得出了这种联系。

具体来说，冯提到了中性伴子（ neutralino ），它是一个由超对称预测的暗物质候选者。如果科学家们将虚中性伴子的影响加入其中，他们的预测可能会与实验结果相一致。

当然，也有一些解释与暗物质没有任何直接联系，而且随着计算的更加精确，这种异常现象甚至可能消失。

随着测量μ子 g-2合作项目和科学家们继续他们的计算，g-2的理论值和实验值有可能会趋于一致。然而，许多物理学家怀疑这种异常现象将继续存在，如果它真的存在，它可能有一个通过暗物质的自然解决方案。

哈勃的争议

我们的宇宙正在膨胀，但宇宙膨胀的速度，即所谓的哈勃常数（H0），是现代宇宙学中最大的争议之一的主题。这是因为哈勃常数是用两种不同的方法计算出来的，产生了不可调和的结果。

这种矛盾已经存在了几十年，甚至在测量变得更加精确的情况下仍然存在。尽管一种方法使用的是「早期」宇宙（大爆炸后不久）的测量值，而另一种使用的是「晚期」宇宙（更接近现在）的测量值，但它们仍然应该得出相同的H0值。但是，结果之间有9%的差异，要么有一个重大的实验错误，或者在我们目前对宇宙的理解中存在一些偏差。

从引力透镜产生的效应，星系团CL0024+17内部被发现存在有一个暗物质圈，在这张哈勃太空望远镜像片里用蓝色

暗物质是否可以解释这种差异？加州大学欧文分校宇宙学博士生索菲亚·加德-纳斯尔（ Sophia Gad-Nasr ）说，这是有可能的，但前提是暗物质会衰变。她说：「膨胀的工作方式是，我们拥有的物质将......对暗能量（驱动宇宙膨胀的神秘力量）向外伸展产生某种向内拉扯。」所以，如果暗物质衰变而整体物质的量减少，那么对抗暗能量的物质也相应减少。因此，这将产生一个更大的[H0]数字，实际上我们现在已经看到了。

但是，加德-纳斯尔指出，如果暗物质衰变，暗示宇宙的其他部分产生更多影响，事情开始变得复杂。她说：「我们希望有一个最简单的解释，我认为我们还没有想到。」

加德-纳斯尔说，她怀疑这种差异可能在于我们对暗能量的理解不足。

质子半径之谜

2010年，μ子原子电荷半径实验（ CREMA ）通过向用μ子而不是电子构成的氢原子发射激光束，对质子的半径进行了非常精确的测量。

奇怪的是，该测量值比国际科学理事会数据委员会（ CODATA ）在2006年设定的官方数值小了近4%，该数值来自使用普通氢的多重光谱实验。即使 CODATA 每四年更新一次他们的数值，这种差异仍然存在。到2016年，额外的实验测量结果[1]也显示支持 CREMA 的较小质子半径。

[1]图源：nature

这个意外的结果引起了科学家们的兴奋。为什么不同的实验方法会产生如此悬殊的数值？一些人想知道，是否「新物理学」(比如暗物质)造成了电子和μ子行为方式的差异，从而导致普通氢和μ子的半径测量之间的差异。也许，正如一些科学家所建议的那样，有一种新的暗物质粒子，与μ子而不是电子相互作用，这可以同时解决质子半径之谜和μ子g-2异常现象。

[2]图源：nature

2019年，一个使用普通氢气的光谱实验[2]测得了一个更小的质子半径，与μ子的测量结果一致，这表明这个难题已经解决了。尽管如此，其他光谱学实验继续产生较大的半径，导致一些物理学家认为这还没有结束，可能需要更精确的实验来明确地解决质子半径之迷。

我们将如何知道？

最终，只有时间、更精确的测量和预测才能知道这些异常现象是否存在。

布朗大学的理论物理学家 JiJi Fan教授 说：「我们在理论和实验方面都需要更多的发展。除此之外，我们还需要其他线索，以确定这些结果是否与暗物质有任何联系。」

关于我们的宇宙是如何组合在一起的，仍然存在着一些至今无法理解的东西。

「我们需要继续寻找, 如果我们不到处寻找，我们将一无所获。」克林说。

「有时这些反常的结果可以给我们正确的提示。在过去100年里，物理学或粒子物理学的许多发现都是因为有一些突然出现的异常结果，没有人预料到，但它是存在的，因此吸引更多的研究者去探索。」

引用：

[1]https://www.nature.com/articles/536253f

[2]https://www.nature.com/articles/d41586-019-03432-4

原文：

https://www.symmetrymagazine.org/article/curious-physics-results-could-shed-light-on-dark-matter