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丁肇中团队宣布发现暗物质候选体存在的证据,探索未知世界迈出重要一步
【人民日报】暗物质 我们身边的隐形“居民”
2013-02-26|文章来源:吴月辉 |【
 

  http://paper.people.com.cn/rmrb/html/2013-02/26/nw.D110000renmrb_20130226_2-10.htm?div=-1

 

  制图:张芳曼

  核心阅读

  □ 暗物质是一种特殊物质,很可能是一种不参与电磁相互作用、我们已知粒子之外的全新粒子

  □ 据估算,我们所知的常规物质只占宇宙构成的4%,暗物质和暗能量分别占23%和73%

  □ 揭开暗物质之谜将是继日心说、万有引力定律、相对论以及量子力学之后,人们认识自然规律的又一次重大飞跃

 

  在18日举行的美国科学促进会年会上,美国麻省理工学院物理学家丁肇中领导的研究团队对外宣布,阿尔法磁谱仪发现了弱作用重粒子(WIMP)存在的证据,而WIMP就是一种暗物质的候选体。丁肇中称,将于未来两到三周发表涉及暗物质的研究论文,对这项研究的进展作详细阐述。据报道,这次研究成果在丁肇中看来是朝着人类认识暗物质方向前进的重要一步,但不是最终答案。

  不管此次阿尔法磁谱仪是否发现了暗物质,各国科学家们都希望有关暗物质起源的问题能够变得更加明朗。

  23%的“未知”

  人类所知的常规物质只占宇宙的4%,未知领域的暗物质占据了23%

  什么是暗物质?在回答这个问题以前,我们先回顾一段有趣的历史。

  自从牛顿发现了万有引力定律以来,人们尝试用万有引力理论来解释太阳系的行星运动规律。尽管万有引力的解释在开始时是非常成功的,但在解释天王星运动时却无法得到令人满意的结果,天王星的运动规律和万有引力的预言有明显的差异。法国天文学家U.Le Verrier和英国天文学家J.C.Adams猜测天王星的异常也许不是万有引力规律出了问题,而是在太阳系中还存在一颗当时还没有发现的行星,这颗行星的引力使得天王星的运动偏离了原来预期的轨道。根据他们的预言,于1846年由J.G.Galle发现了这颗行星,即海王星。

  “由行星运动异常从而猜测到另外一颗未发现的行星的存在,非常类似今天我们关于暗物质的认识。”中科院高能物理所研究员毕效军说。

  大约80年前,天文学家意外发现,一些星系团中的星系运动速度比预想中更快,光靠所看到的这些发光物质(当时人们还没发现星系团中大量存在X射线气体,它们才是星系团中普通物质的主体)所产生的引力场根本无法束缚住它们。因此,大家便猜测这些星系团中应该有种看不见的神秘物质,也一起贡献着引力,拉住了星系。

  “虽然我们从来没有直接‘看到’宇宙中存在这种物质,但我们却发现了由于这种物质的引力作用对于其他可见的物质运动的影响,这就是我们断定宇宙中存在这种物质的理由。”毕效军说。

  这种物质的存在,在随后几十年中,又相继被各种天文观测间接证明。

  目前被广为接受的说法认为,它们是一种特殊的物质,很可能是一种不参与电磁相互作用的、我们已知的粒子(如质子、电子、中子等)之外的全新粒子。

  “这种物质不发光,也就是不发出电磁波,所以看不见。于是,我们就称它为暗物质。”中科院高能物理所研究员、博士生导师张新民说,“与通常物质一样,暗物质有引力作用。这个引力效应让天文学家在宇宙空间发现暗物质占宇宙的23%,另外73%是暗能量。而组成我们身边这个世界的‘常规物质’只占4%。”

  第一难题

  暗物质是现代物理学的最大乌云,研究它有助于了解星系的演化和物质构成规律

  虽然,人们早已经猜测到暗物质可能存在,但一直以来从未明确探测到暗物质粒子,因此,还不能确定暗物质的性质。

  目前,寻找暗物质粒子、研究暗能量的物理本质、探索宇宙起源及演化的奥秘、结合粒子物理和宇宙学的研究已成为21世纪天文学和物理学发展的一个重要趋势。世界各国都在集中人力、物力和财力组织攻关,开展这一重大交叉学科的研究。

  2004年8月,美国国家科学与技术委员会公开发布的物理与天文学发展战略中,列出了新世纪要解答的11个难题,排在第一位和第二位的分别是“什么是暗物质”、“暗能量的本质是什么”。

  那么,探测和研究暗物质,其意义何在?

  诺贝尔物理学奖获得者李政道教授曾多次指出:“暗物质是笼罩20世纪末和21世纪初现代物理学的最大乌云,它将预示着物理学的又一次革命。”

  其实,很多物理学家和天文学家都开始有这样的预感:今天物理学的情况与19世纪末20世纪初诞生相对论和量子论时非常类似。

  “历史经过百年轮回,人类对物质世界的认识又一次处在了十字关口,暗物质便是一个关键突破口。因此,可以这么说,揭开暗物质之谜将是继哥白尼的日心说、牛顿的万有引力定律、爱因斯坦的相对论以及量子力学之后,人们认识自然规律的又一次重大飞跃。”国家天文台研究员秦波说。

  对此,张新民又做了进一步的解释。

  “对于宇宙中4%的物质,即所谓的通常物质,我们已经建立了一套非常完备的理论,即所谓标准模型,进行描述。但是标准模型并不能描述宇宙中暗物质的现象。这就表明,我们对于物质的基本组元、基本结构还有待进一步的深入研究。而暗物质是目前最明确的突破了标准模型的观测现象,了解暗物质的性质就可能带我们走进基本粒子更加深入细微的结构中,了解更加深刻、基本的物质构成的规律。在另一方面,了解暗物质的性质对于我们理解宇宙中像星系、星系团这样的大尺度的结果是如何在宇宙演化过程中形成也同样具有重要的意义。

  捕捉“220千米/秒”

  暗物质以220千米/秒高速运动、与普通物质相互作用弱难以探测,捕捉它需“上天入地”

  暗物质之所以“暗”,不仅是指它不发光,更重要的是它太难捉摸。

  “每天可能有几万亿个暗物质以高速穿过你的身体,且未留下任何痕迹,让你完全感受不到。”张新民做了个比较,56式半自动步枪子弹出膛的速度是每秒700米,而这些暗物质粒子却是以每秒220千米的高速在运动,是前者的300倍。

  如何“捕捉”住暗物质?

  首先,科学家们曾对这种物质可能的形态做过很多理论上的猜测,例如,惰性中微子(Sterile neutrino)温暗物质、引力微子(Gravitino)温暗物质、轴子(Axion)冷暗物质等。

  张新民说:“就目前而言,被研究得最多也是最被粒子物理学家看好的暗物质模型是所谓弱作用重粒子。主要因为这种粒子与普通物质有弱相互作用,所以具有可探测性。相比之下,对于许多其他的暗物质模型,由于其与普通物质的相互作用更弱,在目前的实验水平下使得探测它们的可能性更小。”

  接着,科学家们又想了很多种实际探测的实验办法。

  最初的办法是天文观测法,但是却无法解答“暗物质是什么”。后来,人们又采取间接探测和直接探测的办法。前者,是探测暗物质相互碰撞产生的普通物质粒子信号,一般通过地面或太空望远镜探测;后者,则是用原子核与暗物质碰撞产生的信号。而在地面上,因为宇宙射线众多,这些信号会对直接探测产生干扰,影响其鉴别能力。因此,地下实验室可以帮助探测器“挡”去干扰,让其“静心”工作。

  “丁肇中团队所使用的阿尔法磁谱仪2号(AMS—02)当然是目前灵敏度最高,也是最复杂、最昂贵的一台暗物质探测设备,代表了当今科学实验的最高技术手段。在此之前,在不同的实验上都看到了一些‘反常’迹象,人们怀疑这些就是暗物质的信号,但是,由于实验的灵敏度还不够,这些迹象都还无法确认为暗物质的信号。”毕效军说。

  除了阿尔法磁谱仪,其他实验,例如位于瑞士的大型强子对撞机进行的实验,以及深埋在中国四川锦屏地下的暗物质探测器实验等也还都在进行当中,他们都可能在不远的未来有所新发现。

  “世界范围内的暗物质探测实验正在蓬勃发展,未来10年、20年将是暗物质探测的黄金时代,肯定也会有所突破。”秦波说。

(原载于《人民日报》2013年2月26日10版)

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