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丁肇中团队称或发现暗物质候选体若确认意义

发布时间:2019-06-08 19:15:03 编辑:笔名
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2月18日,在美国科学促进会年会上,美国麻省理工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相互作用大质量粒子(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。如果此次暗物质的发现能够得到确认,那么人类对于宇宙的认知无疑向前迈进了一大步。

本报 高玉

这篇论文等了18年

“我们等待了18年来写这篇论文,如今到了确认阶段。”丁肇中在波士顿的一次美国科学促进会的年会上发言道,“我预计在未来两到三周内,我们就能发布研究成果。我们一共有6个分析小组对相同的数据结果进行分析。众所周知,每个物理学家都有他们自己的见解,我们现在要保证每个人都能同意彼此的观点。这项工作现在已经完成得差不多了。”

作为人类在太空中进行的为昂贵的实验,阿尔法磁谱仪项目即将向地球发送回首批观测数据。这个大型的实验装置被放置在国际空间站上,用于探测宇宙射线及高能粒子。阿尔法磁谱仪项目初便是由丁肇中提议开始。虽然天文望远镜无法探测到大质量弱相互作用粒子,但阿尔法磁谱仪很有希望通过间接的方法来确认其存在,并描述它的性质。即将刊出的研究论文将对这项研究的进展作详细阐述。

阿尔法磁谱仪重达7吨,拥有一个巨大的特制超导磁铁,能使落在它上面的粒子轨迹发生弯曲。粒子的弯曲轨迹显示了它的电荷,再通过一系列的探测器对粒子的质量、速度和能量等进行分析,科学家便能准确知道捕获的是什么粒子。丁肇中称,在阿尔法磁谱仪运行的初18个月中,已经探测了250亿次粒子事件。

位于“发现”的门槛

中科院理论物理研究所研究员李淼昨天对表示,根据现在丁肇中透露的消息,只能说探测到暗物质湮灭的信号的可能性比较大,但这些信号来自暗物质还是脉冲星还不清楚,所以现在并不能断言发现了暗物质,还需等待论文发表后才能确定。

如果发现的正电子从某个特定的方向发出,就意味着该信号是来自像脉冲星一类的天体,而不是暗物质。如果是来自各个方向的,那就是来自暗物质。

据悉,此次阿尔法磁谱仪的数据涉及的是0.5至350GeV(10亿电子伏特)质量范围内的正电子—电子比例。这一范围已经是其他实验中科学家认为可能发现暗物质的上限。

据美国芝加哥大学的宇宙学家迈克尔·特纳教授介绍,理论上,这种粒子的质量大约在质子质量的30、40和300倍之间。大型强子对撞机能够制造这样质量的粒子,丁肇中的阿尔法磁谱仪能探测到这样质量的粒子湮灭,而位于深地底的探测器对这样质量的粒子也非常敏感。

“如果非常幸运的话,我们能同时获得有关暗物质的三个特征信号,分别是通过观测粒子湮灭、直接探测粒子以及用大型强子对撞机制造粒子,这三种方法在同样的质量范围内都很灵敏。” 特纳说。

“宇宙中有很多物质能够模拟暗物质的特征。”哈佛大学理论物理学家丽莎·蓝道尔说,尽管她非常迫切等待阿尔法磁谱仪的结果。

不管阿尔法磁谱仪是否发现了暗物质,科学家都希望有关暗物质起源的问题能够变得更加明朗。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,以及深埋地下的暗物质探测器实验,都可能在不远的未来有所新发现。“我相信我们都位于发现的门槛,在未来几十年内肯定会有所突破。”丽莎·蓝道尔说。

改变宇宙构成认识

如果丁肇中团队这次确实发现了暗物质,其意义何在?中科院理论物理研究所研究员李淼认为,暗物质的发现将改变人们对宇宙构成的认识。

“我们整个宇宙的构成分三块:73%的暗能量,23%的暗物质和4%我们已知的物质,可以说4%以外的部分大都属于未知。如果此次暗物质的发现能够得到确认,那么人类对于宇宙的认知无疑向前迈进了一大步。”李淼说。

另外,暗物质的发现对于天文学家来说也有特殊意义,它解决了一个多年的谜题。李淼表示,通过万有引力定律很难解释一些物理现象,太阳系或者银河系为何能维持现在的状态,光靠可见物质的引力是无法解释的,但在暗物质的假设模型里就可以解释。

暗物质的作用就像宇宙胶水。因为物质之间尤其是天体之间的引力无法保持恒星和星系之间聚集,为了使星系之间不致分裂,天文学家需要暗物质提供的引力把它们聚集起来。如果发现暗物质不存在,这意味着关于引力的理解在大尺度上是错误的,这对于很多天文学家来说是不可想象的。

李淼表示,暗物质与其他物质伴生,有物质的地方就有暗物质,但分布得更广。比如说,在有恒星、星系的地方一定有暗物质,但暗物质要比这些星系占的空间大许多,所以暗物质的质量比星系质量大。

研究

暗物质研究将建

全新物理学标准模型

美国科学促进会日前宣布:暗物质研究领域获得重大突破—发现新线索将建立全新暗物质物理学标准模型。

一直以来,科学家为了深入研究暗物质,打造出极为先进的研究工具,这帮助科学家了解了宇宙中的一些秘密。而现在,美国科学促进会宣布:科学家首次发现了一些关于暗物质的新线索。

据报道,这次暗物质领域获得的重大突破对于暗物质物理学标准模型来说,也是一个极大的挑战。据了解,暗物质理论在八十年前就诞生了,瑞士天体物理学家弗里茨·兹威基发现,在所观察的星球和星系中没有足够的力量可以让重力将其聚集在一起。举一些理论描述,暗物质是由所谓的大质量弱相互作用粒子快速形成的。

来自芝加哥大学宇宙物理卡弗里研究院的负责人迈克尔·特纳表示,他们已经处于宇宙主要研究的开端。因为他们发现了一种神奇的暗物质,挑战了所谓的标准物理模型。这对于识别粒子稳定性来说非常重要,可以说该发现非常有意义,因为标准模型只能帮助人们了解部分的宇宙。标准模型只能对宇宙中4%到5%的物质进行解释。而占据宇宙物质23%的暗物质以及占据宇宙72%到73%的暗能量却无法探索,尽管这两种物质似乎拥有一种促使宇宙膨胀的神秘力量。

特纳表示,从宇宙论方面来看,神秘的暗物质控制了重力及宇宙中剩下的一切。而现在让科学家感到兴奋的是,他们在暗物质中发现了一些新东西,建立了全新的暗物质物理学标准模型,这在暗物质研究领域是一个重大突破。

美欧将携手探索

暗物质、暗能量

美国航天局上月24日宣布将参与欧洲航天局的欧几里德项目,双方将携手探索宇宙中神秘的暗物质和暗能量。

美国航天局当天发布的声明说,双方近签署了协议,美国航天局将在这一项目中,为欧几里德太空望远镜提供16个的红外探测器及4个备用探测器,并为欧航局提供由40名科学家组成的3个科学团队。

欧几里德太空望远镜将于2020年升空,到达第二拉格朗日点,随后在6年的任务期内,绘制宇宙中约20亿个星系的分布图,揭示宇宙间暗物质、暗能量的真相及其对宇宙进化的影响。

暗物质是宇宙中看不见的物质,也就是说没有发出可见光或其他电磁波,用天文望远镜观测不到。不过,暗物质同样产生万有引力,会对可见物质产生作用。根据现有的假说和观察,科学家估计暗物质质量占宇宙总质量的90%以上。暗能量是一种不可见、能推动宇宙运动的能量,宇宙中所有恒星和行星的运动皆由暗能量和万有引力推动。

拉格朗日点是指卫星受太阳、地球两大天体引力作用,能保持相对静止的点,共有5个,其中第二拉格朗日点位于日地连线上地球外侧约150万公里处。在这一点上,探测器消耗很少的燃料即可长期驻留。

延伸阅读

中国锦屏

地下暗物质实验室

地下实验室是暗物质实验一个必不可少的条件。目前,全球的地下实验室有十几个,为了避免专门挖掘地下实验室的高成本,它们都是利用已有的土建设施,基本分为两类,一类是利用废弃的矿井,比如美国700米深的SOUDAN地下实验室,在建的DUSEL地下实验室有几百米到2400米深的多个实验厅。另一种是利用隧道,在隧道里横向挖出实验大厅。的有意大利的GRAN SASSO地下实验室,入口建在一条10公里长高速路隧道的中部,上方有1700米岩石覆盖,实验室内有3个各100米长、20米宽、20米高的实验大厅和众多较小的实验厅和通道,内容积目前世界。

2010年12月,中国锦屏极深地下暗物质实验室正式挂牌。该地下实验室有一个40米长、6.5米宽、8.5米高的实验大厅,尽管目前大厅总容积不是很大,但它是目前世界上条件的地下实验室:首先,它是当前世界上深的地下实验室,上方有2.5公里岩层覆盖,宇宙射线通量少,其次,地下实验室所在处不是花岗岩,而是大理岩,其自然放射性相当低,实验检测发现其天然放射性比洞外的岩石都低,和意大利GRAN SASSO的岩石相比,放射性元素铀的含量低了3倍。这些都为暗物质直接探测实验提供了非常好的条件。目前地下实验室的各个物理参数,包括宇宙射线通量、光子和中子的通量,都在测量之中。

释疑

如何发现暗物质?

如果实验检测到在某能量处存在大量正电子,这或可能暗示着检测到了暗物质,因为电子在宇宙中无处不在,而已知的天体物理学过程很少会产生正电子。

“发现暗物质存在的确凿证据是观测到正电子的数量骤升,然后迅速锐减。”这是因为暗物质湮灭产生的正电子具有特定的能量,而后者取决于组成暗物质的WIMP的质量,美国芝加哥大学的宇宙学家迈克尔·特纳说,“这便是探测到暗物质存在时会出现的关键特征。”

如果在特定能量区域探测到了正电子的数量峰值,并且正电子的来源具有各向同性的话,那么就暗示探测到了“暗物质”。这是因为在我们周围,电子占据主要地位,除了暗物质湮灭能产生大量正电子之外,很少有其它的物理过程可以解释。

特纳介绍:“我们要找的是正电子和电子的比率关系,科学家认为这其中隐藏着关于暗物质湮灭以及暗晕密度的信息。”在距离银河系中心10万至30万光年区间内存在神秘的结构,这里被研究人员认为存在大量的暗物质成分,拥有庞大的质量,银河系总质量中绝大部分由这些暗物质构成。

根据当前的暗物质模型,银河系外围的暗物质分布可能扩展至100万光年的跨度,而银河系的直径为10万光年左右。物理学家估计,宇宙中普通物质如星系、恒星只占全部质量的4%,其他24%是暗物质,而剩余的为暗能量。

什么是WIMP?

WIMP被认为是一种暗物质的候选体。那么,什么是WIMP?

上海交通大学粒子物理宇宙学研究所刘湘在一篇文章中曾介绍,关于暗物质究竟是什么,研究者曾对这种物质可能的形态做过很多理论上的猜测。就目前而言,被研究得多也是被看好的暗物质模型是所谓弱相互作用大质量粒子。这种粒子的特点是虽然没有电磁相互作用和强相互作用,但是参与弱相互作用,同时质量比质子和中子大。

刘湘认为,WIMP之所以成为暗物质的热门候选者主要有3个原因:首先,WIMP具有“冷暗物质”的各种性质,而基于冷暗物质的宇宙学模型与观测符合得比较好。其次,在粒子物理理论中比较容易构造出符合WIMP特点的粒子。例如,流行的超对称理论就预言可能存在轻超对称粒子,这种粒子如果不带电就很容易符合WIMP的特性。,WIMP具有弱相互作用截面,而按照统计物理的粒子退耦理论计算,WIMP的数量也刚好和暗物质密度的观测值在同一个数量级。即WIMP可以很好地放入我们今天的宇宙理论模型里。

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