宇宙的边缘还是“镜像世界”？科学家提出现代物理重大谜题新解

加州大学圣克鲁兹分校的Stefano Profumo教授近日发表了两项新研究，探讨暗物质可能形成的不同方式。暗物质是科学界最难解的谜团之一，占据宇宙总物质的约80%。它的引力解释了为何星系可以保持稳定结构并以特定方式旋转。宇宙大尺度结构和宇宙微波背景的观测也都指向了暗物质的存在，但人们至今不清楚暗物质是什么粒子、又是如何诞生的。

Profumo的最新研究设想：暗物质或许不是全新的、与普通物质有微弱相互作用的粒子，而可能在宇宙早期自然形成。

其一篇于7月8日发表的论文，集中讨论一个“隐藏区”理论：认为除了我们已知的宇宙外，还存在一个遵循类似物理规律、但拥有自身粒子和力的“镜像宇宙”，我们无法直接探测。该理论借鉴了量子色动力学（QCD），QCD描述夸克与强相互作用下结合成质子和中子的方式。在隐藏区，可能也有“暗QCD”：暗夸克和暗胶子结合成重粒子（称为暗重子）。

论文用大N极限下的SU(N)规范理论进行建模，发现虽然隐藏区内的胶球和介子无法在现实条件下形成黑洞，但暗重子却有可能。当强相互作用尺度、暗夸克质量、颜色数N和暗区温度处于某一范围时，暗重子或许能坍缩成轻黑洞，其质量最高达普朗克质量的几百倍。如果这些黑洞残骸稳定，它们的丰度会随N增加呈指数级降低，因此只有N≤100左右时，这些黑洞残骸才能构成全部暗物质。论文也绘制了参数空间图，显示这一机制可能成立的范围。

Profumo的另一篇于5月发表的论文，则探讨了暗物质是否可能在“宇宙边缘”或“宇宙视界”诞生——正值暴胀后宇宙经历一小段加速膨胀期时。那段加速不及暴胀极端，但仍然快于普通的辐射或物质主导的膨胀。

分析以三点为假设前提：

一、该阶段由状态方程为P = wρ的流体驱动；

二、准德西特宇宙的视界温度与其尺寸成反比；

三、观测者为静止（此处w介于−1和−1/3之间）。

在这些条件下，研究计算了由宇宙边界“冻结”产生的稳定粒子的密度，假定它们之后不再发生数目变化。根据状态方程、辐射主导开始和加速膨胀期结束时的温度等参数，暗物质的质量可以在约10keV到普朗克尺度之间变动。

Profumo总结：“这两种机制都还很大胆，也很假设性，但它们为解释暗物质起源提供了无需依赖传统粒子模型的自洽计算方案——毕竟相关实验至今未见直接证据。”