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持续百年 让中美欧花数百亿美元的大搜索在找啥?

持续百年 让中美欧花数百亿美元的大搜索在找啥?
2018年08月11日 12:45 新浪新闻综合

  原标题:一场持续了近百年,让中美欧等国花费数百亿美元的大搜索到底在找什么?

  来源:瞭望智库

  对于天文学家来说,暗物质与恒星、行星一样,都是真实存在的物质。天文学家可以绘制暗物质分布图,把一个个星系视为由“发光”的普通物质点缀着的暗物质云团。借用暗物质,科学家还成功地解释了宇宙结构是如何形成和演化的。

  然而,经过多年的搜索,人们至今仍然没能直接探测到暗物质。人们被笼罩在暗物质的云团中,却不知宇宙的暗面究竟为何物。

  前不久,诺贝尔物理学奖获得者、美籍华人物理学家丁肇中在山东大学演讲时,再次为暗物质线索的发现给出了一个时间节点——2024年。他认为,届时关于暗物质的来源,“应该能有个决定性的结果出来”

  2024年也是国际空间站可能的退役时间,正在国际空间站上寻找暗物质和反物质的,是阿尔法磁谱仪。它也是首个安置在太空中的最强大、最灵敏的精密粒子探测装置

诺贝尔物理学奖获得者丁肇中介绍阿尔法磁谱仪项目最新进展情况诺贝尔物理学奖获得者丁肇中介绍阿尔法磁谱仪项目最新进展情况

  阿尔法磁谱仪项目由丁肇中主持,背后是个国际合作团队。实际上,加拿大、意大利、中国、日本、德国、美国等寻找暗物质的团队有很多,有的在天上,有的在地下,众里寻暗物质千百度,还不知它是否在灯火阑珊处。

  那么,多国的科学精英都在竭尽全力寻找的这个暗物质到底是什么?能最终找到吗?

  文 |  毕效军 中国科学院高能物理所研究员

  编辑 |  李浩然 瞭望智库 

  本文为瞭望智库原创文章,如需转载请在文前注明来源瞭望智库(zhczyj)及作者信息,否则将严格追究法律责任。

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  宇宙中看不见、摸不着的最神秘力量

  我们所知道的物质——原子、恒星、星系、行星、树木、石头、我们自己等等,其实只占了已知宇宙的5%还要少,其余约25%是暗物质,剩余的70%是暗能量,后两者都是看不见的,而且不能发射或吸收电磁辐射,故而称其“暗”。这意味着我们所感受到的一切,都只是真实存在的一小部分。

  从人类开始研究暗物质至今已有近百年时间,人类为何如此执着于探索这些看不见的东西呢?

  因为暗物质涉及宇宙产生和演化的一些最基本问题,它被科学家比作“笼罩在21世纪物理学天空中的乌云”,是目前国际科研的最前沿领域之一

  与百年之前相对论和量子力学即将诞生时类似,现在人类对物质世界的认识又一次处在了十字路口。毫不夸张地说,找到并研究暗物质,将是继哥白尼日心说、牛顿万有引力定律、爱因斯坦相对论以及量子力学之后,人们认识宇宙的又一次重大飞跃

  有人可能认为,既然暗物质隐藏得这么深,我们又怎么确定它存在呢?

  尽管暗物质不发射或吸收电磁辐射因而无法被天文设备直接观测到,但是它的引力效应却影响了其周围可见物质的运动轨迹,因而能够被间接探测到

  以暗物质对太阳运行轨迹的影响为例,可以清楚了解暗物质是如何被探测到的。

  如上图所示,太阳到银河系中心的距离是2.8万光年,绕银河系中心旋转一周的时间是2.3亿年。物质的引力所产生的向心力可以把太阳固定在这样的轨道上,通过简单的计算就可以知道,这需要在太阳轨道内包含大约1011 MSun(太阳质量)的物质。

  然而,可以观测到的恒星和气体的质量低了两个数量级。显然,还有更多的不可见的物质贡献了更强的引力,如果不存在暗物质,那么向心吸引力就要弱很多,太阳的旋转速度也要相应小很多。

M33星系的旋转曲线M33星系的旋转曲线

  太阳是银河系中的一颗普通恒星,观测更多的恒星的运行轨道就可以进一步推断星系中暗物质的分布信息。

  比如,上图所示是一个称作M33的涡旋星系中,恒星绕星系中心旋转的速度与其到星系中心距离的函数关系示意图。上边的曲线是天文学家观测的结果,而下边的虚线是根据观测的可见物质预计的恒星运行的速度分布。

  我们看到,两者有着明显的差别,实际测量的运行速度要远大于计算结果,这表明星系中还分布着大量的暗物质来增大引力,这些观测结果就是天文学家推测暗物质存在的直接观测证据。

  而根据不同距离处恒星旋转速度的大小可以推算暗物质在星系中如何分布,我们可以得到如下图所示的银河系中的物质分布图。从图可见,我们银河系的恒星大部分分布在一个很小的盘状结构中,这就是我们熟悉的银盘。在银盘外边包围着巨大的暗物质构成的球状结构,称作暗物质“晕”。

银河系的物质分布:普通恒星分布在盘状结构上(disk),而暗物质则形成一个巨大的几乎球对称的晕状结构,叫做暗物质晕(Dark matter halo)  银河系的物质分布:普通恒星分布在盘状结构上(disk),而暗物质则形成一个巨大的几乎球对称的晕状结构,叫做暗物质晕(Dark matter halo)

  除此之外,其他还有许许多多天文观测,均证实了宇宙中暗物质的存在

  比如星系团中热气体的分布、星系团所造成的引力透镜效应、宇宙中微波背景的观测等等均在更大的尺度上证实了暗物质的存在。

  今天,天文学家建立了一个“标准宇宙学模型”,这个模型中宇宙由68%的暗能量、27%的暗物质和5%的普通物质组成,可以成功解释几乎到目前为止所有的宇宙学观测现象,是当前人类对宇宙的最新认识成果。

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  暗物质究竟是一种什么样的物质?

  在研究暗物质的历史中,天文学家也提出了许多的设想,比如认为暗物质是不发光的小天体如黑洞,或者是中微子等等,但均已被后来的观测所排除。

  目前一般认为暗物质应该是由一种全新的粒子构成,它不同于我们已经了解的任何一种组成我们周围物质的粒子。我们只知道这种粒子应该是稳定的、不带电的且运动速度很慢的粒子,而其具体是什么粒子,以及其质量、其相互作用的性质如何等都无法确定。

  物理学家提出了许多的暗物质粒子模型,但由于没有直接观测数据的限制,不同的暗物质模型中暗物质粒子的性质相差非常大。在这许许多多的暗物质模型中,有一种被称为是“弱作用重粒子”的暗物质模型是目前研究最多的。

  这类模型的出发点是解释“暗物质在宇宙中如何产生”这个问题,而这一模型认为暗物质应该和普通物质一样是在宇宙的极早期从高温高密的物质状态中产生出来的,这和普通物质的产生是同一个过程。

  在这一前提下,研究发现当暗物质质量和相互作用强度和弱作用类似,那么其在宇宙中所产生的密度就和今天我们观测到的密度相一致。

  由于这类模型能够非常自然地解释我们观测到的暗物质在宇宙中的丰度,因而受到了极大的关注。

  我们目前大部分暗物质探测实验所要寻找的对象就是这种“弱作用重粒子”的暗物质

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  花费超过数百亿美元,暗物质却迟迟不现身

  当前探测暗物质主要包括三类实验方案,即对撞机探测、直接探测和间接探测

暗物质的三种探测方式暗物质的三种探测方式

  从上图可以看出,暗物质粒子和普通物质的相互作用可以体现在三个方向上:

  *从下向上,就是通过把普通粒子加速到很高的能量对撞产生出暗物质粒子,这就是暗物质粒子的对撞机探测,比如在欧洲核子中心的大型强子对撞机(LHC)上进行的暗物质寻找就是这种探测方式;

  *横向方向表示一个暗物质粒子和普通粒子发生弹性散射,通过探测这种散射产生的信号寻找暗物质,这被称为暗物质的直接探测;

  *而从上向下的方向代表着两个暗物质粒子碰撞并湮灭而产生一对普通粒子,通过寻找这样的湮灭产物寻找暗物质粒子,这被称为暗物质的间接探测。

  丁肇中教授领导的阿尔法磁谱仪2号(AMS-02)实验和我国的暗物质粒子卫星“悟空”号探测暗物质就是根据间接探测的方法,探测暗物质粒子湮灭或者衰变后所产生的高能宇宙线粒子。

暗物质间接探测示意图暗物质间接探测示意图

  暗物质间接探测的原理如上图所示,即两个暗物质粒子碰撞后会发生“湮灭”而变成我们熟悉的夸克、轻子等粒子,这些不稳定的粒子会迅速衰变而成为稳定粒子,如正负电子,正反质子,中微子,光子等。

  间接探测即是寻找宇宙线中的这些信号来寻找暗物质的信号,间接探测实验也通常选择在地面和空间进行,地面的实验适合探测暗物质湮灭所产生的伽马射线信号和中微子信号,但带电粒子会和大气很快发生反应,所以地面实验不是特别适合探测带电粒子信号。

几个空间的暗物质探测实验:AMS-02空间站实验、Fermi卫星、“悟空”卫星几个空间的暗物质探测实验:AMS-02空间站实验、Fermi卫星、“悟空”卫星

  通常,为了得到更加干净的暗物质湮灭信号,需要在空间开展实验,包括卫星实验和在空间站开展的实验。

  目前正在进行的实验有如下几个:

  Fermi卫星是美国发射的伽马射线探测卫星,用来寻找暗物质湮灭所产生的伽马射线信号,Fermi2008年发射,至今已经运行了近10年,取得了大量的科研成果。然而,它却没有发现暗物质湮灭的信号,因而,给暗物质性质设置了非常严格的限制;

  另外两个实验是“PAMELA卫星实验”和阿尔法磁谱仪2号(AMS-02)国际空间站实验,都带有磁场,因而能够测量带电粒子的电荷,它们主要是测量宇宙线中的反粒子,如正电子、反质子等,以寻找暗物质信号;

  最后一个是我国在2015年发射的暗物质粒子探测卫星“悟空”,它主要是通过探测暗物质湮灭所产生的电子来寻找暗物质信号。

  上文提到,有科学团队通过对撞机探测方法,寻找高能粒子对撞产生的无法被探测器探测的暗物质粒子引发的能量、动量“丢失”过程。然而,仅仅对撞机一项,就花费数百亿美元,暗物质却仍迟迟不“现身”。

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  或许,我们已接近发现暗物质的边缘

  近年来在暗物质探测方面一个重要的进展就是,发现了宇宙线中存在大量的正电子超出

  PAMELA卫星在2008发现宇宙线中正电子比通常宇宙线物理所预期的流量高出了许多,这多出来的正电子让科学家非常兴奋,认为有可能就是人们长期梦寐以求的暗物质信号。研究表明,暗物质湮灭的确可以完美解释这些多出来的正电子。

  但不幸的是,暗物质却不是唯一的解释

  天文学家认为,银河系中存在一种称为脉冲星的天体,它是高速旋转的中子星。这种天体可以加速产生高能量的正负电子对并辐射到银河系空间,这类信号如果传播到地球上,也可以解释实验所观测到的多余正电子信号。

  而阿尔法磁谱仪2号(AMS-02)是安装在国际空间站上的大型实验装置,更加精确地测量宇宙线中正负电子的能谱,不但证实了PAMELA的观测,还在更大的能量范围和更高的精度上扩展了这一结论。

AMS-02观测的宇宙线中正电子所占比例(点)和不同的理论模型解释(图中的实线)AMS-02观测的宇宙线中正电子所占比例(点)和不同的理论模型解释(图中的实线)

  但是,即使是AMS-02的结果也无法确认正电子的来源到底是暗物质还是脉冲星,如上图所示,图中不同的曲线代表了不同来源的正电子,我们发现这些曲线都能够解释图中的AMS-02的数据点。

  最近AMS-02实验组在一个会议上公布了其最新的测量结果,由于累计了更多的观测事例,最新的结果显示多出的正电子的能谱存在某种“结构”,如果这个结构得到精确的测量,就有可能据此判断正电子的来源。

  然而,深入的研究表明,来自脉冲星的正电子和来自暗物质湮灭的正电子的能谱形式很有可能无法完全区分。这是因为,这些正电子从源上产生出来以后还要再经历非常复杂的传播过程,这个传播过程会改变能谱的形式,从而使得不同来源的能谱更加难以区分。

  暗物质这么难寻找,这也正是它的魅力所在,我们也不要灰心,还是有其他办法可能区分暗物质来源的正电子和脉冲星来源的正电子。

  暗物质弥漫地分布在银河系中,而脉冲星则是某个位置上的一个星体。因而,脉冲星产生的正电子会有方向性,从而在正电子流强分布上导致一个“各向异性”,但暗物质产生的正电子基本会是“各向同性”的。

  各向异性的检验非常困难,需要积累大量的电子和正电子数据,这就要求非常大的探测器才行。而我国空间站的未来宇宙线实验HERD具有这样的优势,将可能在这方面取得重要的突破,为暗物质寻找提供更多的线索。

  总而言之,暗物质问题大大激发了人们对于未知世界的想象,也正在激励着各国科学家不断地深入研究这个问题,并在不同的研究方向上取得进步,为最终揭开暗物质谜团贡献自己的力量。

  (文内示意图均由作者提供)

责任编辑:霍宇昂

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