全新暗物質(zhì)物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型。

在太空中的阿爾法磁譜儀。

哈勃望遠(yuǎn)鏡獲取迄今最精確暗物質(zhì)分布圖。

丁肇中在參與阿爾法磁譜儀的實(shí)驗(yàn)。

2月18日，在美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)年會(huì)上，美國(guó)麻省理工物理學(xué)家丁肇中領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)外宣布，阿爾法磁譜儀發(fā)現(xiàn)了弱相互作用大質(zhì)量粒子(WIMP)存在的證據(jù)，而WIMP就是一種暗物質(zhì)的候選體。丁肇中稱，將于未來兩到三周發(fā)表涉及暗物質(zhì)的研究論文，對(duì)這項(xiàng)研究的進(jìn)展作詳細(xì)闡述。如果此次暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)能夠得到確認(rèn)，那么人類對(duì)于宇宙的認(rèn)知無疑向前邁進(jìn)了一大步。

本報(bào)記者高玉

這篇論文等了18年

“我們等待了18年來寫這篇論文，如今到了最后確認(rèn)階段?！倍≌刂性诓ㄊ款D的一次美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)的年會(huì)上發(fā)言道，“我預(yù)計(jì)在未來兩到三周內(nèi)，我們就能發(fā)布研究成果。我們一共有6個(gè)分析小組對(duì)相同的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析。眾所周知，每個(gè)物理學(xué)家都有他們自己的見解，我們現(xiàn)在要保證每個(gè)人都能同意彼此的觀點(diǎn)。這項(xiàng)工作現(xiàn)在已經(jīng)完成得差不多了?！?/p>

作為人類在太空中進(jìn)行的最為昂貴的實(shí)驗(yàn)，阿爾法磁譜儀項(xiàng)目即將向地球發(fā)送回首批觀測(cè)數(shù)據(jù)。這個(gè)大型的實(shí)驗(yàn)裝置被放置在國(guó)際空間站上，用于探測(cè)宇宙射線及高能粒子。阿爾法磁譜儀項(xiàng)目最初便是由丁肇中提議開始。雖然天文望遠(yuǎn)鏡無法探測(cè)到大質(zhì)量弱相互作用粒子，但阿爾法磁譜儀很有希望通過間接的方法來確認(rèn)其存在，并描述它的性質(zhì)。即將刊出的研究論文將對(duì)這項(xiàng)研究的進(jìn)展作詳細(xì)闡述。

阿爾法磁譜儀重達(dá)7噸，擁有一個(gè)巨大的特制超導(dǎo)磁鐵，能使落在它上面的粒子軌跡發(fā)生彎曲。粒子的彎曲軌跡顯示了它的電荷，再通過一系列的探測(cè)器對(duì)粒子的質(zhì)量、速度和能量等進(jìn)行分析，科學(xué)家便能準(zhǔn)確知道捕獲的是什么粒子。丁肇中稱，在阿爾法磁譜儀運(yùn)行的最初18個(gè)月中，已經(jīng)探測(cè)了250億次粒子事件。

位于“發(fā)現(xiàn)”的門檻

中科院理論物理研究所研究員李淼昨天對(duì)記者表示，根據(jù)現(xiàn)在丁肇中透露的消息，只能說探測(cè)到暗物質(zhì)湮滅的信號(hào)的可能性比較大，但這些信號(hào)來自暗物質(zhì)還是脈沖星還不清楚，所以現(xiàn)在并不能斷言發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)，還需等待論文發(fā)表后才能確定。

如果發(fā)現(xiàn)的正電子從某個(gè)特定的方向發(fā)出，就意味著該信號(hào)是來自像脈沖星一類的天體，而不是暗物質(zhì)。如果是來自各個(gè)方向的，那就是來自暗物質(zhì)。

據(jù)悉，此次阿爾法磁譜儀的數(shù)據(jù)涉及的是0.5至350GeV(10億電子伏特)質(zhì)量范圍內(nèi)的正電子—電子比例。這一范圍已經(jīng)是其他實(shí)驗(yàn)中科學(xué)家認(rèn)為可能發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的上限。

據(jù)美國(guó)芝加哥大學(xué)的宇宙學(xué)家邁克爾·特納教授介紹，理論上，這種粒子的質(zhì)量大約在質(zhì)子質(zhì)量的30、40和300倍之間。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)能夠制造這樣質(zhì)量的粒子，丁肇中的阿爾法磁譜儀能探測(cè)到這樣質(zhì)量的粒子湮滅，而位于深地底的探測(cè)器對(duì)這樣質(zhì)量的粒子也非常敏感。

“如果非常幸運(yùn)的話，我們能同時(shí)獲得有關(guān)暗物質(zhì)的三個(gè)特征信號(hào)，分別是通過觀測(cè)粒子湮滅、直接探測(cè)粒子以及用大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)制造粒子，這三種方法在同樣的質(zhì)量范圍內(nèi)都很靈敏?！?特納說。

“宇宙中有很多物質(zhì)能夠模擬暗物質(zhì)的特征。”哈佛大學(xué)理論物理學(xué)家麗莎·藍(lán)道爾說，盡管她非常迫切等待阿爾法磁譜儀的結(jié)果。

不管阿爾法磁譜儀是否發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)，科學(xué)家都希望有關(guān)暗物質(zhì)起源的問題能夠變得更加明朗。除了阿爾法磁譜儀，其他實(shí)驗(yàn)，例如位于瑞士的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，以及深埋地下的暗物質(zhì)探測(cè)器實(shí)驗(yàn)，都可能在不遠(yuǎn)的未來有所新發(fā)現(xiàn)?！拔蚁嘈盼覀兌嘉挥诎l(fā)現(xiàn)的門檻，在未來幾十年內(nèi)肯定會(huì)有所突破?！丙惿に{(lán)道爾說。

改變宇宙構(gòu)成認(rèn)識(shí)

如果丁肇中團(tuán)隊(duì)這次確實(shí)發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)，其意義何在？中科院理論物理研究所研究員李淼認(rèn)為，暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)將改變?nèi)藗儗?duì)宇宙構(gòu)成的認(rèn)識(shí)。

“我們整個(gè)宇宙的構(gòu)成分三塊：73%的暗能量，23%的暗物質(zhì)和4%我們已知的物質(zhì)，可以說4%以外的部分大都屬于未知。如果此次暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)能夠得到確認(rèn)，那么人類對(duì)于宇宙的認(rèn)知無疑向前邁進(jìn)了一大步。”李淼說。

另外，暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)對(duì)于天文學(xué)家來說也有特殊意義，它解決了一個(gè)多年的謎題。李淼表示，通過萬有引力定律很難解釋一些物理現(xiàn)象，太陽(yáng)系或者銀河系為何能維持現(xiàn)在的狀態(tài)，光靠可見物質(zhì)的引力是無法解釋的，但在暗物質(zhì)的假設(shè)模型里就可以解釋。

暗物質(zhì)的作用就像宇宙膠水。因?yàn)槲镔|(zhì)之間尤其是天體之間的引力無法保持恒星和星系之間聚集，為了使星系之間不致分裂，天文學(xué)家需要暗物質(zhì)提供的引力把它們聚集起來。如果最后發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)不存在，這意味著關(guān)于引力的理解在大尺度上是錯(cuò)誤的，這對(duì)于很多天文學(xué)家來說是不可想象的。

李淼表示，暗物質(zhì)與其他物質(zhì)伴生，有物質(zhì)的地方就有暗物質(zhì)，但分布得更廣。比如說，在有恒星、星系的地方一定有暗物質(zhì)，但暗物質(zhì)要比這些星系占的空間大許多，所以暗物質(zhì)的質(zhì)量比星系質(zhì)量大。

最新研究

暗物質(zhì)研究將建

全新物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型

美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)日前宣布：暗物質(zhì)研究領(lǐng)域獲得重大突破—發(fā)現(xiàn)新線索將建立全新暗物質(zhì)物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型。

一直以來，科學(xué)家為了深入研究暗物質(zhì)，打造出極為先進(jìn)的研究工具，這幫助科學(xué)家了解了宇宙中的一些秘密。而現(xiàn)在，美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)宣布：科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了一些關(guān)于暗物質(zhì)的新線索。

據(jù)報(bào)道，這次暗物質(zhì)領(lǐng)域獲得的重大突破對(duì)于暗物質(zhì)物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型來說，也是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。據(jù)了解，暗物質(zhì)理論在八十年前就誕生了，瑞士天體物理學(xué)家弗里茨·茲威基發(fā)現(xiàn)，在所觀察的星球和星系中沒有足夠的力量可以讓重力將其聚集在一起。舉一些理論描述，暗物質(zhì)是由所謂的大質(zhì)量弱相互作用粒子快速形成的。

來自芝加哥大學(xué)宇宙物理卡弗里研究院的負(fù)責(zé)人邁克爾·特納表示，他們已經(jīng)處于宇宙主要研究的開端。因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)了一種神奇的暗物質(zhì)，挑戰(zhàn)了所謂的標(biāo)準(zhǔn)物理模型。這對(duì)于識(shí)別粒子穩(wěn)定性來說非常重要，可以說該發(fā)現(xiàn)非常有意義，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)模型只能幫助人們了解部分的宇宙。標(biāo)準(zhǔn)模型只能對(duì)宇宙中4%到5%的物質(zhì)進(jìn)行解釋。而占據(jù)宇宙物質(zhì)23%的暗物質(zhì)以及占據(jù)宇宙72%到73%的暗能量卻無法探索，盡管這兩種物質(zhì)似乎擁有一種促使宇宙膨脹的神秘力量。

特納表示，從宇宙論方面來看，神秘的暗物質(zhì)控制了重力及宇宙中剩下的一切。而現(xiàn)在讓科學(xué)家感到興奮的是，他們?cè)诎滴镔|(zhì)中發(fā)現(xiàn)了一些新東西，建立了全新的暗物質(zhì)物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型，這在暗物質(zhì)研究領(lǐng)域是一個(gè)重大突破。

美歐將攜手探索

暗物質(zhì)、暗能量

美國(guó)航天局上月24日宣布將參與歐洲航天局的歐幾里德項(xiàng)目，雙方將攜手探索宇宙中神秘的暗物質(zhì)和暗能量。

美國(guó)航天局當(dāng)天發(fā)布的聲明說，雙方最近簽署了協(xié)議，美國(guó)航天局將在這一項(xiàng)目中，為歐幾里德太空望遠(yuǎn)鏡提供16個(gè)最先進(jìn)的紅外探測(cè)器及4個(gè)備用探測(cè)器，并為歐航局提供由40名科學(xué)家組成的3個(gè)科學(xué)團(tuán)隊(duì)。

歐幾里德太空望遠(yuǎn)鏡將于2020年升空，到達(dá)第二拉格朗日點(diǎn)，隨后在6年的任務(wù)期內(nèi)，繪制宇宙中約20億個(gè)星系的分布圖，揭示宇宙間暗物質(zhì)、暗能量的真相及其對(duì)宇宙進(jìn)化的影響。

暗物質(zhì)是宇宙中看不見的物質(zhì)，也就是說沒有發(fā)出可見光或其他電磁波，用天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)不到。不過，暗物質(zhì)同樣產(chǎn)生萬有引力，會(huì)對(duì)可見物質(zhì)產(chǎn)生作用。根據(jù)現(xiàn)有的假說和觀察，科學(xué)家估計(jì)暗物質(zhì)質(zhì)量占宇宙總質(zhì)量的90%以上。暗能量是一種不可見、能推動(dòng)宇宙運(yùn)動(dòng)的能量，宇宙中所有恒星和行星的運(yùn)動(dòng)皆由暗能量和萬有引力推動(dòng)。

拉格朗日點(diǎn)是指衛(wèi)星受太陽(yáng)、地球兩大天體引力作用，能保持相對(duì)靜止的點(diǎn)，共有5個(gè)，其中第二拉格朗日點(diǎn)位于日地連線上地球外側(cè)約150萬公里處。在這一點(diǎn)上，探測(cè)器消耗很少的燃料即可長(zhǎng)期駐留。

延伸閱讀

中國(guó)錦屏

地下暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室

地下實(shí)驗(yàn)室是暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)一個(gè)必不可少的條件。目前，全球的地下實(shí)驗(yàn)室有十幾個(gè)，為了避免專門挖掘地下實(shí)驗(yàn)室的高成本，它們都是利用已有的土建設(shè)施，基本分為兩類，一類是利用廢棄的礦井，比如美國(guó)700米深的SOUDAN地下實(shí)驗(yàn)室，在建的DUSEL地下實(shí)驗(yàn)室有幾百米到2400米深的多個(gè)實(shí)驗(yàn)廳。另一種是利用隧道，在隧道里橫向挖出實(shí)驗(yàn)大廳。最著名的有意大利的GRAN SASSO地下實(shí)驗(yàn)室，入口建在一條10公里長(zhǎng)高速路隧道的中部，上方有1700米巖石覆蓋，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有3個(gè)各100米長(zhǎng)、20米寬、20米高的實(shí)驗(yàn)大廳和眾多較小的實(shí)驗(yàn)廳和通道，內(nèi)容積目前世界第一。

2010年12月，中國(guó)錦屏極深地下暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室正式掛牌。該地下實(shí)驗(yàn)室有一個(gè)40米長(zhǎng)、6.5米寬、8.5米高的實(shí)驗(yàn)大廳，盡管目前大廳總?cè)莘e不是很大，但它是目前世界上條件最好的地下實(shí)驗(yàn)室：首先，它是當(dāng)前世界上最深的地下實(shí)驗(yàn)室，上方有2.5公里巖層覆蓋，宇宙射線通量最少，其次，地下實(shí)驗(yàn)室所在處不是花崗巖，而是大理巖，其自然放射性相當(dāng)?shù)停瑢?shí)驗(yàn)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)其天然放射性比洞外的巖石都低，和意大利GRAN SASSO的巖石相比，放射性元素鈾的含量低了3倍。這些都為暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)提供了非常好的條件。目前地下實(shí)驗(yàn)室的各個(gè)物理參數(shù)，包括宇宙射線通量、光子和中子的通量，都在測(cè)量之中。

釋疑

如何發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)？

如果實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到在某能量處存在大量正電子，這或可能暗示著檢測(cè)到了暗物質(zhì)，因?yàn)殡娮釉谟钪嬷袩o處不在，而已知的天體物理學(xué)過程很少會(huì)產(chǎn)生正電子。

“發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)存在的確鑿證據(jù)是觀測(cè)到正電子的數(shù)量驟升，然后迅速銳減?！边@是因?yàn)榘滴镔|(zhì)湮滅產(chǎn)生的正電子具有特定的能量，而后者取決于組成暗物質(zhì)的WIMP的質(zhì)量，美國(guó)芝加哥大學(xué)的宇宙學(xué)家邁克爾·特納說，“這便是探測(cè)到暗物質(zhì)存在時(shí)會(huì)出現(xiàn)的關(guān)鍵特征?！?/p>

如果在特定能量區(qū)域探測(cè)到了正電子的數(shù)量峰值，并且正電子的來源具有各向同性的話，那么就暗示探測(cè)到了“暗物質(zhì)”。這是因?yàn)樵谖覀冎車?，電子占?jù)主要地位，除了暗物質(zhì)湮滅能產(chǎn)生大量正電子之外，很少有其它的物理過程可以解釋。

特納介紹：“我們要找的是正電子和電子的比率關(guān)系，科學(xué)家認(rèn)為這其中隱藏著關(guān)于暗物質(zhì)湮滅以及暗暈密度的信息?！痹诰嚯x銀河系中心10萬至30萬光年區(qū)間內(nèi)存在神秘的結(jié)構(gòu)，這里被研究人員認(rèn)為存在大量的暗物質(zhì)成分，擁有龐大的質(zhì)量，銀河系總質(zhì)量中絕大部分由這些暗物質(zhì)構(gòu)成。

根據(jù)當(dāng)前的暗物質(zhì)模型，銀河系外圍的暗物質(zhì)分布可能擴(kuò)展至100萬光年的跨度，而銀河系的直徑為10萬光年左右。物理學(xué)家估計(jì)，宇宙中普通物質(zhì)如星系、恒星只占全部質(zhì)量的4%，其他24%是暗物質(zhì)，而剩余的為暗能量。

什么是WIMP?

WIMP被認(rèn)為是一種暗物質(zhì)的候選體。那么，什么是WIMP？

上海交通大學(xué)粒子物理宇宙學(xué)研究所劉湘在一篇文章中曾介紹，關(guān)于暗物質(zhì)究竟是什么，研究者曾對(duì)這種物質(zhì)可能的形態(tài)做過很多理論上的猜測(cè)。就目前而言，被研究得最多也是最被看好的暗物質(zhì)模型是所謂弱相互作用大質(zhì)量粒子。這種粒子的特點(diǎn)是雖然沒有電磁相互作用和強(qiáng)相互作用，但是參與弱相互作用，同時(shí)質(zhì)量比質(zhì)子和中子大。

劉湘認(rèn)為，WIMP之所以成為暗物質(zhì)的熱門候選者主要有3個(gè)原因：首先，WIMP具有“冷暗物質(zhì)”的各種性質(zhì)，而基于冷暗物質(zhì)的宇宙學(xué)模型與觀測(cè)符合得比較好。其次，在粒子物理理論中比較容易構(gòu)造出符合WIMP特點(diǎn)的粒子。例如，流行的超對(duì)稱理論就預(yù)言可能存在最輕超對(duì)稱粒子，這種粒子如果不帶電就很容易符合WIMP的特性。最后，WIMP具有弱相互作用截面，而按照統(tǒng)計(jì)物理的粒子退耦理論計(jì)算，WIMP的數(shù)量也剛好和暗物質(zhì)密度的觀測(cè)值在同一個(gè)數(shù)量級(jí)。即WIMP可以很好地放入我們今天的宇宙理論模型里。