宇宙是由什么组成的？

万物是由什么构成的？这是我们至今仍在追问的问题。现在我们知道，宇宙中存在着一些无法由更小的物质构成的基本粒子。你知道这些基本粒子都有哪些吗？

如果你刚好看了昨天的文章《物质的质量来自哪里？》，那么你肯定知道答案。

原子是由原子核和电子组成的，电子是基本粒子，但原子核并不是，它是由质子和中子构成的。但还没有结束，质子和中子实际上是由基本粒子——夸克和胶子组成的。夸克和胶子之间的相互作用是由粒子物理学的标准模型所描述的。

○ 标准模型包含了17种基本粒子：六种夸克、六种轻子、四种规范玻色子以及希格斯玻色子| 图片来源：DEREK B. LEINWEBER

早在上个世纪八十年代，物理学家就书写了标准模型，但直到2012年在大型强子对撞机中找到希格斯玻色子，标准模型中的所有17个粒子才全部被找到。

○ 四种基本相互作用。| 图片来源：Pany/NPI

标准模型还描述了自然界中四种基本力的其中三种——强核力、弱核力和电磁力。但是它并没有解释引力，引力由爱因斯坦提出的广义相对论所描述。将这两种框架统一到一个理论是当今物理学遇到的最大挑战。

○ 标准模型拉格朗日方程。| 图片来源：CERN

上面这个马克杯或许是世界上最知识渊博的杯子了，因为在杯子上的方程正是描述了宇宙如何运作的标准模型方程。从质子内部的夸克和胶子的复杂相互作用到元素周期表，从太阳核心的聚变到中子星内部的动力学，都可以运用标准模型来解释。

○ 质子的结构是动态的，在高能量尺度存在更多夸克和胶子。| 图片来源：Phiala Shanahan

尽管标准模型如此的成功，但是还有许多问题是它无法解释的，例如：

中微子为什么有质量？

为什么物质多于反物质？

为什么我们观测到宇宙在加速膨胀？

为什么观测到的星系旋转速度比理论计算的结果大？

为什么一些星团可以聚集在一起，虽然观测证据表明它们并不可以？

○ 观测到的星系旋转速度与理论预期的不符。| 图片来源：Pany/NPI

关于后面两个问题，存在一个解决方案。假设在宇宙中存在一些物质，它们既不发射也不吸收普通物质粒子，却又可以产生引力相互作用，那就可以解释许多质量缺失的问题。这些物质就是所谓的暗物质。

○ 两个具有相同普通物质与暗物质分布的星系相互碰撞，计算结果表明，普通物质（红色）会相互作用、碰撞，而暗物质（蓝色）却像个冷静的旁观者。这与最后一张图中，通过引力透镜观测到的普通物质与（推测存在的）暗物质状况类似。| 图片来源：[1]

但是，暗物质是什么呢？我们并不知道。在四种基本相互作用中，可以确定暗物质会发生引力相互作用，但不发生电磁相互作用，也不发生强相互作用（否则我们早就通过宇宙射线探测到它了），至于弱相互作用嘛，我们还不确定。

因此，比起暗物质是什么，我们更清楚暗物质不是什么。暗物质不是普通物质，不是星系，不是反物质，不是星系尺寸的黑洞…...

○ 宇宙的成分：暗物质约为26.8%，暗能量约为68.3%，而我们熟悉的普通物质（比如行星、恒星等）只占4.9%。| 图片来源：ESA/Planck

有一些理论试图解释暗物质可能是什么，比如超对称、额外维度、中微子等。那么，我们能通过实验探测到暗物质吗？

一种可能性是在对撞机中将普通物质粒子（即标准模型中的粒子）相互对撞。如果一些能量或动量消失了，那么就很可能就是产生了暗物质。然而不幸的是，中微子也能做到如此，这就意味着，我们必须很好地理解粒子相互作用产生的中微子背景，然后寻找额外的超出标准模型背景的信号。这就是为什么在对撞机中寻找到暗物质是如此困难。

第二种可能性是通过间接探测。如果真空中暗物质湮灭产生了标准模型中的粒子，我们就会看见比预期中更多的物质，从而推测是暗物质产生了这些粒子。

第三种可能性就是直接探测了。探测猜想中构成暗物质的大质量弱相互作用粒子（WIMP）是否会与普通物质发生相互作用，并留下什么蛛丝马迹。

○ 探测暗物质的三种不同可能性。| 图片来源：Pany

在没有探测到任何信号时，我们翘首企盼早日看见暗物质，然而，如果真的探测到暗物质，我们或许又会不知如何是好。如果我们想要更好的从理论上解释暗物质，想要超越标准模型，必须首先更好地理解标准模型做出了哪些预测。或许我们寻找的是对标准模型的微小修正，所以必须做非常详细的计算，以非常高的精度来理解标准模型到底做出了什么预测。

例如，一个暗物质粒子与原子核碰撞后会反冲，但是为了让观测到碰撞的概率最大化，实验中会使用重的原子核，例如有着100个核子的原子核。这就意味着需要进行大量的量子色动力学（描述强相互作用的理论）计算，以了解碰撞过程中到底发生了什么。

当然，我们可以先从一个“简单”的问题开始——质子的大小是多少？

质子是组成原子核的粒子，是太阳发生核聚变发光发热的能量之源，是在宇宙大爆炸最初产生元素的基础。原子核中的质子比中子质量小0.1%，这对于生命的存在至关重要，如果情况反过来，就不会有带负电的电子绕着带正电的质子旋转形成的稳定原子，也就不会有这之后的一切物质了。

○ 图片来源：Pany/NPI

但是对于质子的大小问题，理论预测和实验观测的结果却有着相当大的差异，可以达到大约4%的水平（只有0.5%的不确定性）。这自然令理论物理学家深感不安。

理论物理学家Phiala Shanahan从事的研究就是通过格点量子色动力学（Lattice QCD）来计算质子的大小。如果有足够强大的计算机，那么她明天就可以给出质子大小的精确结果，然而，即使计算机的计算能力按照指数增长，在她有生之年（她现在还不到30岁）也难以完成这个计算。

因此我们不仅需要更好的技术算计，还需要技术上的突破，或许是通过设计更高效的算法（比如机器学习），或许是使用更好的计算机芯片（比如FPGA），或许是通过量子计算机。

参考来源：

[1] https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2018/11/07/at-last-physicists-understand-where-matters-mass-comes-from/#6f7a32ec5bf9

[2] https://insidetheperimeter.ca/the-building-blocks-of-the-universe-phiala-shanahan-public-lecture-webcast/