暗物质粒子到底何时现身.docx

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1、暗物质粒子到底何时现身 新闻背景 历时18年，由诺贝尔奖得主、美籍华人物理学家丁肇中主持的阿尔法磁谱仪项目最终公布了第一个试验结果，文章发表在物理评论快报上。该项目对宇宙中原委是否存在暗物质有望给出好玩的探究。 元宵节前，传来丁肇中先生领导的一个大型太空试验发觉暗物质的消息。好几家媒体要我谈谈看法或写点东西介绍一下。我说，现在只有英国BBC一家新闻，而且语焉不详，现在谈这件事还太早。 不仅媒体在等，探讨暗物质的同行更在着急地等，终归，从天文学家第一次推想暗物质的存在已经过去了80年，从天文学家作为一个整体社会承认暗物质的存在也过去了30年，我们只是由对大型天体系统观测间接地推想暗物质的存在，还

2、没有人干脆探测到暗物质。 那么，丁肇中的团队究竟做了什么？他们最终在4月3日发表了一篇论文，我们最终可以从这篇论文干脆解读他们究竟发觉了什么，而不必从丁肇中谨慎的演讲以及他的面部表情中解读这些内容了。 丁肇中团队试验的正式名称叫做阿尔法磁谱仪，这是一台固定在国际空间站上的设备。现在正在运作的阿尔法磁谱仪已经是其次代了，于2022年5月放射。因为是其次代，物理学家用简称AMS-02来称呼它。这个试验总造价15亿美元，曾经引起过争议。不过，经过19个月的观测，AMS发表的结果足以证明这笔钱是花得值的。 天文学家推想暗物质存在 那么，暗物质是什么？各国政府为什么舍得花大价钱建立AMS和其他一些暗物质

3、探测设备，试图找到这种看不见摸不着的物质？ 1932年，荷兰天文学家奥尔特通过对银河系中的恒星的运动推想银河系面应当有更多的质量，也就是说有一些隐藏的质量不能用可见的恒星来说明，事后他的结果被认为是错误的。奥尔特是一个高产的天文学家，太阳系外围的奥尔特云就是以他的名字命名的。1933年，瑞士天文学家兹威基探讨了由星系结成的星系团，得到类似的结论。他探讨的对象是后发星系团，这是一个巨大的星系团，含有上千个星系。不过，兹威基推想的暗物质质量实在太大了。 天文学界真正积累了暗物质证据的时代是上世纪60年头。女天文学家鲁宾对当时天文学的主流探讨不感爱好，去探讨不那么主流的星系转动曲线。所谓星系转动曲线

4、就是旋转的星系在距离星系中心不同距离处的速度曲线。她和同事福特一同发觉，多数涡旋星系的转动速度大于理论计算的数值，一个最简洁的缘由是这些星系含有许多不行见的质量。他们的结果是，星系平均含有高于可见物质6倍的暗物质。 经过天文学家长期的检验，鲁宾等人的结论得以确立，人们找到了更多的暗物质存在的证据，包括通过星系引力场对其后面其他星系光线的弯曲的观测，直到现代宇宙学的一些观测。今日，探讨星系以及星系尺度之上的天文学不用暗物质几乎是不行能的。 黑洞？还是特别粒子？ 在我读探讨生的时候，人们还不知道暗物质原委是什么。当时流行的两个主要候选者有燃烧尽的恒星和黑洞，以及所谓极弱相互作用粒子，这两类候选者有

5、一个共同特点，都是不发光不行能用电磁学手段探测到的东西，但都引起更大的万有引力。渐渐地，人们认为只有极弱相互作用粒子是可能的候选者。 近年来，宇宙学观测的主要方式有好多种，最引人注目的有两种，一种是用IA型超新星测量宇宙膨胀的历史，得出的结论是，暗物质占宇宙总质量的25%。其次种方式是探测宇宙中无所不在的微波背景辐射，这一种方法得到的最新结论是，暗物质占宇宙总质量的26.8%。可见物质有多少？只有4.9%，这个结果证明当年鲁宾等人的结果接近正确。 现在，天文学家对暗物质的“共识”是，暗物质主要成分是不参加电磁相互作用的粒子，这些粒子统称WIMPs。这些粒子较重，运动的速度较低，叫做冷暗物质，分

6、布于星系中和星系的外围，以及星系团中和星系团的外围，这些结构叫暗物质晕。星系的暗物质晕的密度要大于星系团的暗物质晕。它们的存在使得每个恒星感受到的引力大于恒星引起的引力，使得每个恒星绕星系中心的运动速度变大，使得星系团中的星系之间的相对运动速度变大。另外，它们对背景的星系和星系团具有引力透镜效应。除了可见的引力效应外，暗物质的存在影响了微波背景辐射以及大尺度结构的形成。 地下试验室试图干脆探测暗物质 推想暗物质存在的是天文学家，现在，轮到物理学家登场了。 干脆探测暗物质的试验已经进行多年，还没有任何具有劝服力的结果。这些试验都是地下试验，选择在地下建立试验室是为了屏蔽宇宙射线以及地球表面其他辐

7、射背景。 地下试验室用来探测暗物质的方法有两个，一个是将晶体放在极低温的环境中探测，温度低于101毫开尔文。当暗物质粒子击中晶体中的一个原子核，原子核反冲可以被探测到，例如反冲可以产生微小的热量。最常用的晶体是锗。其次种方式是用惰性液体，暗物质粒子与液体中的原子发生反应后产生光子，这些光子可以被探测到。常用的液体有氙和氩。 到目前为止，还没有公认的暗物质被探测到事例。意大利Gran Sasso地下试验室中的DAMA试验从11016年起先收集数据，到2002年升级，从2003年起先接着收集数据。DAMA试验发觉，暗物质导致以年为周期的调制现象。也就是说，由于地球在每年不同的时间相对暗物质的平均速

8、度不同导致暗物质引发的反冲事例数不同，这个不同会在其他背景实践之上出现年调制现象。但这个结果争议很大，因为其他试验没有证明这个现象，而其他试验用更加成熟的方法扣除了背景导致的事务。 多余的正电子暗物质的影子？ 探测暗物质的其次大类试验是所谓的间接探测，即不是干脆观测暗物质与探测器的碰撞，而是探测宇宙空间中暗物质相互作用的后果。例如，假如暗物质粒子就是其反粒子，那么暗物质粒子之间会相互湮灭产生高能光子和正负电子，通过对高能光子和正负电子的探测，我们可以间接地探测暗物质。目前，在太空中最出名的试验是意大利的PAMELA试验，这个试验在2022年探测到多余的正电子。同样，2022年，美国的费米伽玛射

9、线太空望远镜在更高的能量探测到多余的正电子。 正电子当然不是暗物质，是反物质的一种。一般来说，由于恒星和星际物质都是一般的正物质，这些物质通常不会产生反物质。但是，旋转的中子星可以抛出一些反物质，如正电子。所谓多余的正电子，就是超出天文学家通过计算预言的来自于高能宇宙射线的正电子。假如我们观测到多余的正电子，这些正电子可能的来源有两种，一种是旋转的中子星，一种就是暗物质湮灭。 PAMELA卫星和费米伽玛射线太空望远镜的结果让物理学家激烈了，不过，这两个观测都不够精确，更不能辨别多余的正电子是否来源于暗物质湮灭。 阿尔法磁谱仪果真身手不凡 轮到阿尔法磁谱仪了。 4月初刚刚发布第一批科学结果的阿尔

10、法磁谱仪的领导人是丁肇中，团队成员大约有五一百零一人，来自于16个国家56个单位。我们前面说过，AMS-02是其次代阿尔法磁谱仪，第一代设备是19101年安装在俄国空间站上的，而AMS-02是2022年5月安装在国际空间站上的。 经过一年多的观测，AMS-02一共收集了六一百零一八十万个电子和正电子，能量谱很宽，从5亿电子伏特到三千五一百零一亿电子伏特。这些电子和正电子中有40万个是正电子，这是迄今最大的正电子样本，将过去全部试验的样本数目提高了一一百零一零一倍。 这五一百零一位物理学家发觉，正电子数目与电子数目的比例随着能量逐步提高，证明了PAMELA的结果，在费米伽玛射线太空望远镜结果的误

11、差范围，也证明了费米望远镜的结果。 可以说，我们现在准确地知道正电子真的超出了天文学家预料的结果，肯定来自于我们过去不知道的东西。是脉冲星还是超新星，还是我们最期盼的暗物质？我们还要耐性地等待AMS缓慢地捕获更高能量的正电子。或许，更高能量的正电子与电子之比会在一个能量处突然下降，那时，我们或许就可以说，暗物质粒子，或者至少一种暗物质粒子的质量大约具有那个能量。 在AMS成果的鼓舞下，其他探测暗物质的试验确定在加快步伐。 假如说，我们这一代人，有可能在活着的时候亲眼望见物理学家解开暗物质之谜，也许不会太离谱。 第7页 共7页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页