空間觀測(cè)暗物質(zhì)粒子

1、空間觀測(cè)暗物質(zhì)粒子文/畢效軍常進(jìn)余超洋導(dǎo)語(yǔ)：暗物質(zhì)在整個(gè)宇宙中所占的組分大約是22%，是研究宇宙中大尺度結(jié) 構(gòu)形成過程中必不可少的成分。據(jù)天文觀測(cè)，暗物質(zhì)應(yīng)由非重子的冷暗物質(zhì)構(gòu)成， 較為流行的暗物質(zhì)候選者是弱相互作用重粒子(WIMP)，由此建立的WIMP暗物 質(zhì)模型得到廣泛的關(guān)注。為了解析暗物質(zhì)的本質(zhì)，目前，科學(xué)家主要采用三種方 法探測(cè)暗物質(zhì)粒子，且取得眾多進(jìn)展。未來十年，將是暗物質(zhì)探測(cè)的黃金時(shí)代。一、暗物質(zhì)發(fā)現(xiàn)的歷史自從牛頓發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律以來，人們就一直嘗試用引力理論來解釋各種 天體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在這個(gè)過程中，暗物質(zhì)的概念很早就開始形成了。比如，對(duì)于 天王星運(yùn)動(dòng)異常的解釋導(dǎo)致法國(guó)天文學(xué)家U

2、.Le Verrier和英國(guó)天文學(xué)家John Couch Adams猜測(cè)到海王星的存在，并最終于1846年由Galle發(fā)現(xiàn)了海王星。 由行星運(yùn)動(dòng)異常從而猜測(cè)到另外一顆未發(fā)現(xiàn)的行星的存在非常類似今天我們關(guān) 于暗物質(zhì)的認(rèn)識(shí)。目前從星系到宇宙學(xué)尺度的觀測(cè)都發(fā)現(xiàn)可觀測(cè)物體運(yùn)動(dòng)的異常 現(xiàn)象，這表明可能存在我們還沒有“看見”的物質(zhì)，既暗物質(zhì)，它們通過引力效應(yīng) 影響了可見物體的運(yùn)動(dòng)。現(xiàn)代意義下的暗物質(zhì)概念最早是由瑞士天文學(xué)家Fritz Zwicky提出的。1933 年Fritz Zwicky研究后發(fā)星系團(tuán)中星系運(yùn)動(dòng)的速度彌散，他根據(jù)所測(cè)得的星系速 度彌散并應(yīng)用維理定理得到了后發(fā)星系團(tuán)的質(zhì)光比，發(fā)現(xiàn)其比太陽(yáng)的

3、質(zhì)光比要大 400倍左右。今天，天文學(xué)家有許多辦法可以測(cè)定星系團(tuán)的質(zhì)量，如通過弱引力 透鏡效應(yīng)，通過團(tuán)內(nèi)熱氣體的X射線發(fā)射輪廓以及通過徑向速度分布等。上個(gè) 世紀(jì)七十年代，美國(guó)天文學(xué)家Vera Rebin在對(duì)旋渦星系的詳細(xì)觀測(cè)中，使得“暗物質(zhì)”這個(gè)概念得到了科學(xué)界的認(rèn)可。旋渦星系旋轉(zhuǎn)曲線的測(cè)量是暗物質(zhì)存在最 直接的證據(jù)。通常測(cè)量的旋轉(zhuǎn)曲線在距離星系中心很遠(yuǎn)的地方會(huì)變平，并且一直 延伸到可見的星系盤邊緣以外的地方很遠(yuǎn)都不會(huì)下降。如果沒有暗物質(zhì)存在，根 據(jù)開普勒定律很容易得到在距離很遠(yuǎn)的地方旋轉(zhuǎn)速度會(huì)隨距離下降。而測(cè)量到的 旋轉(zhuǎn)曲線明顯和人們根據(jù)可見物質(zhì)預(yù)期的結(jié)果不同。因此，平坦的旋轉(zhuǎn)曲線就意 味著

4、星系中包含了更多的物質(zhì)，這些還沒有被直接看到而只是通過引力效應(yīng)表現(xiàn) 出來的物質(zhì)就是暗物質(zhì)。2006年錢德拉X-射線望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到兩個(gè)星系團(tuán)的合并，發(fā)現(xiàn)星系團(tuán)中發(fā)光 的熱氣體(由X-射線像確定其位置)和兩個(gè)星系的質(zhì)量中心(由引力透鏡觀測(cè)確定 其位置)并不重合。這一現(xiàn)象被認(rèn)為是暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)，這是因?yàn)榭梢姷?重子物質(zhì)之間由于摩擦力而互相粘滯，但暗物質(zhì)粒子可以相互通過，從而造成星 系團(tuán)中暗物質(zhì)和重子熱氣體在空間上分離成兩團(tuán)。這個(gè)結(jié)果引起了學(xué)界的廣泛關(guān) 注，因?yàn)檫@可能排除通過修改引力理論來解釋所觀察到的異?，F(xiàn)象。近年來由于WMAP衛(wèi)星對(duì)微波背景(CMB)各向異性的精確測(cè)量，我們可能 通過擬合WMA

5、P的數(shù)據(jù)精確確定宇宙中暗物質(zhì)的總量。目前擬合的結(jié)果給出暗 物質(zhì)在整個(gè)宇宙中所占的組分大約是22%?？傊詮陌滴镔|(zhì)的概念提出至今， 人們?cè)诟鞣N尺度的天文觀測(cè)中都發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)存在的證據(jù)。目前，暗物質(zhì)的存在 已經(jīng)被人們普遍接受，并且成為研究宇宙中大尺度結(jié)構(gòu)形成過程中必不可少的成 分。二、暗物質(zhì)粒子和弱相互作用重粒子(WIMP)盡管暗物質(zhì)在宇宙中存在的事實(shí)得到大部分天文學(xué)家的承認(rèn)，但暗物質(zhì)的本 質(zhì)是什么，它是由什么基本粒子組成的，這些基本問題卻仍未得到解決。在微觀 領(lǐng)域，人類建立了關(guān)于基本粒子的標(biāo)準(zhǔn)物理模型。這一理論告訴我們，目前已知 的基本粒子是三代的夸克和輕子以及傳遞相互作用的規(guī)范玻色子。這一理

6、論能夠 精確描述目前對(duì)撞機(jī)上所有的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。然而，暗物質(zhì)粒子卻不能被標(biāo)準(zhǔn)模型解 釋。因此，為了解釋暗物質(zhì)粒子，必須要引入超出基本粒子標(biāo)準(zhǔn)模型的新的物理 理論。之所以天文觀測(cè)會(huì)發(fā)現(xiàn)對(duì)撞機(jī)上無法發(fā)現(xiàn)的新粒子，可能的原因是：在宇 宙的早期，宇宙要經(jīng)歷一個(gè)高溫的階段。這個(gè)時(shí)候的粒子能量要高于現(xiàn)在已有（甚 至將來可能有的）一切對(duì)撞機(jī)的能量，這個(gè)時(shí)候新物理可能發(fā)生作用。因此我們 可以認(rèn)為早期宇宙是一個(gè)能量超出人類所能夠達(dá)到的超高能對(duì)撞機(jī)，這個(gè)對(duì)撞機(jī) 會(huì)撞出新的粒子并留下一些蹤跡。暗物質(zhì)有可能就是來自這樣的新物理在經(jīng)歷了 宇宙大爆炸后遺留下來的產(chǎn)物。因此，暗物質(zhì)的認(rèn)識(shí)對(duì)于人類認(rèn)識(shí)物質(zhì)的基本結(jié) 構(gòu)和基本相互作

7、用可能起到了非常關(guān)鍵的作用。暗物質(zhì)問題是粒子物理和宇宙學(xué)的核心問題之一，目前世界各國(guó)都在集中人 力、物力和財(cái)力研究這一問題。例如，美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)由19名權(quán)威物理學(xué) 家和天文學(xué)家聯(lián)合執(zhí)筆的2002年的報(bào)告中列出了新世紀(jì)要解答的11個(gè)科學(xué)問 題：“什么是暗物質(zhì)”列在第一位。報(bào)告同時(shí)建議美國(guó)政府研究機(jī)構(gòu)加強(qiáng)協(xié)調(diào)、集 中資源為這些難題尋找答案。國(guó)際上許多進(jìn)行精確宇宙學(xué)研究和探測(cè)暗物質(zhì)，暗 能量的地面和空間的實(shí)驗(yàn)正在計(jì)劃和籌建中。目前我們已知的物質(zhì)稱為重子物質(zhì)，但根據(jù)天文觀測(cè)，暗物質(zhì)應(yīng)該由非重子 的冷暗物質(zhì)構(gòu)成。所謂冷暗物質(zhì)指暗物質(zhì)粒子的運(yùn)動(dòng)速度非常慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速。 較為流行的暗物質(zhì)候選者是所謂弱

8、相互作用重粒子，如超對(duì)稱理論粒子或額外維 度空間粒子等。弱相互作用重粒子被廣泛關(guān)注的原因在于它可以在宇宙早期自然產(chǎn)生：早期宇宙溫度非常高，WIMP可以和其它的粒子相互作用從而達(dá)到熱平衡； 隨著宇宙溫度的降低，當(dāng)宇宙溫度低于其暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量時(shí)，WIMP的粒子數(shù) 密度是指數(shù)壓低的，這樣其反應(yīng)速率也大大下降；當(dāng)WIMP反應(yīng)的特征尺度已 經(jīng)和宇宙的視界相當(dāng)時(shí)，WIMP粒子就很難再相互作用，我們稱為其從宇宙背景 中解耦了。如果WIMP的反應(yīng)截面非常大，它可以保持熱平衡的狀態(tài)到很低的 溫度才解耦，那么它保留下來到今天的密度就非常低；相反，如果它的反應(yīng)截面 太小，它保留到今天的密度就很高。計(jì)算表明，今天宇

9、宙中暗物質(zhì)的密度和反應(yīng) 速率大致成反比的關(guān)系。正因?yàn)閃IMP可以自然的在宇宙早期熱產(chǎn)生，其在今 天的貢獻(xiàn)如同宇宙微波背景一樣只是宇宙溫度下降的熱遺跡，所以WIMP暗物 質(zhì)模型得到廣泛的關(guān)注。此外，從粒子物理出發(fā)，許多設(shè)法理解電弱對(duì)稱破缺機(jī)制的所謂超出標(biāo)準(zhǔn)模 型的新物理理論都提1供了這樣的WIMP粒子，比如超對(duì)稱理論中最輕的超對(duì) 稱粒子(neutralino)。如果在對(duì)撞機(jī)上發(fā)現(xiàn)了某種新物理所預(yù)言的粒子(長(zhǎng)壽命、 中性)，它很可能就是構(gòu)成暗物質(zhì)的粒子。反過來，如果暗物質(zhì)粒子被探測(cè)到， 其性質(zhì)也會(huì)限制新物理模型。因此，從某種意義上來說，在暗物質(zhì)問題上宇宙學(xué)、 天文學(xué)和粒子物理是相通的。目前理論物理

10、學(xué)家提出了很多暗物質(zhì)粒子的模型，較為廣泛研究的有軸子 (axion)、KK粒子、超對(duì)稱引力子(gravitino)等。軸子是在解決強(qiáng)相互作用中的電 荷-空間(CP)破壞問題時(shí)引入的，目前它的質(zhì)量范圍被實(shí)驗(yàn)和天文觀測(cè)限制在10 -610-3eV之間，它可以通過非熱產(chǎn)生并作為冷暗物質(zhì)存在。KK粒子是額 外維度空間理論所預(yù)言的，其中最輕的粒子是穩(wěn)定的并可以成為暗物質(zhì)。超對(duì)稱 引力子指引力子的超對(duì)稱伴子，由于其和普通物質(zhì)的相互作用非常弱，也被稱為超弱作用重粒子(SuperWIMP)，其產(chǎn)生也要通過非熱產(chǎn)生。總之，目前人們對(duì)于暗物質(zhì)的本質(zhì)仍然很不了解，而在理論上也提出了各種 各樣的模型。盡管像超對(duì)稱粒子

11、、KK粒子、軸子等粒子都有非常明確的物理意 義，都是暗物質(zhì)粒子自然的候選者，但最終暗物質(zhì)的性質(zhì)還要取決于實(shí)驗(yàn)結(jié)果。三、暗物質(zhì)粒子的探測(cè)方法由于暗物質(zhì)粒子不與光作用，也不會(huì)發(fā)光，普通的光學(xué)觀測(cè)無法發(fā)現(xiàn)它的蹤 跡。為了了解暗物質(zhì)的本質(zhì)，目前的探測(cè)方法大致可以總結(jié)為如下三種：首先是在加速器上將暗物質(zhì)粒子“創(chuàng)造”出來，并研究其物理特性。由于暗物 質(zhì)粒子即使被“創(chuàng)造”出來，也不會(huì)被探測(cè)器發(fā)現(xiàn)，只能通過其它可以看見的粒子 來推測(cè)出是否有這樣的粒子產(chǎn)生。雖然暗物質(zhì)粒子不能被直接觀察到，但它一定 會(huì)帶走“能量”(“創(chuàng)造”暗物質(zhì)粒子需要能量)，因此從丟失的“能量”和分布可以推測(cè) 暗物質(zhì)的某些性質(zhì)。歐洲核子中心(

12、CERN)的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)被認(rèn)為很有 可能“創(chuàng)造”出暗物質(zhì)粒子。第二種方法是直接探測(cè)法。該方法是直接探測(cè)暗物質(zhì)粒子和原子核碰撞所產(chǎn) 生的信號(hào)。由于發(fā)生碰撞的概率很小，產(chǎn)生的信號(hào)也很“微弱”。為了降低本底， 通常需要把探測(cè)器放置在很深的地下。暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)是目前尋找暗物質(zhì)粒 子最重要的探測(cè)方式。目前的實(shí)驗(yàn)精度下，我們只可能探測(cè)到弱作用重粒子的信 號(hào)，而更弱的信號(hào)，如軸子、超對(duì)稱引力子是無法用這種方法探測(cè)的。目前我國(guó) 科學(xué)家正在討論在雅礱江錦屏山下建設(shè)一個(gè)大型地下暗物質(zhì)粒子探測(cè)器。如能成 功，將是世界上最大埋深的地下實(shí)驗(yàn)室。第三種辦法稱為暗物質(zhì)的間接探測(cè)法。間接法是觀測(cè)暗物質(zhì)粒子衰變

13、或相互 作用后產(chǎn)生的穩(wěn)定粒子如伽瑪射線，正電子，反質(zhì)子，中微子等。根據(jù)目前的理論模型，暗物質(zhì)粒子衰變或相互作用后可能會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的高能粒子，如果我們能 夠精確測(cè)量這些粒子的能譜，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子留下的蛛絲馬跡。由于暗物質(zhì)的湮滅率正比于暗物質(zhì)密度的平方，因此暗物質(zhì)湮滅主要發(fā)生在 星系、星系團(tuán)中心或者星體內(nèi)部等暗物質(zhì)密度非常高的地方。暗物質(zhì)的間接探測(cè) 涉及到許多復(fù)雜的成分，如需要知道暗物質(zhì)的分布情況、暗物質(zhì)間的湮滅截面的 大小以及來自非暗物質(zhì)湮滅過程的背景的大小和性質(zhì)，因此間接探測(cè)涉及到粒子 物理、天文、宇宙學(xué)等多方面的知識(shí)。由于高能伽瑪射線不受宇宙空間磁場(chǎng)等其他因素的影響，可以直線傳播，伽 瑪

14、射線信號(hào)可以追溯到暗物質(zhì)的“源”，所以探測(cè)暗物質(zhì)粒子湮滅產(chǎn)生的伽瑪射線 是非常重要的探測(cè)暗物質(zhì)粒子的手段。伽瑪射線實(shí)驗(yàn)可以分為衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)和地面實(shí) 驗(yàn)兩大類，其中衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)是本底排除非常干凈、閾能低、視場(chǎng)寬、觀測(cè)有 效時(shí)間長(zhǎng)等，但其劣勢(shì)則是由于探測(cè)器體積所限，其有效面積較小。地面實(shí)驗(yàn)可 以分為大氣契倫可夫光望遠(yuǎn)鏡和大氣簇射探測(cè)器，前者的優(yōu)勢(shì)在于可有效排除本 底、非常大的有效觀測(cè)面積和高角分辨率，劣勢(shì)在于其視場(chǎng)窄而且觀測(cè)時(shí)間受限， 只能在晴朗無月的晚上觀測(cè)；大氣簇射探測(cè)器的優(yōu)勢(shì)包括大的有效面積、寬視場(chǎng)、 幾乎100%的觀測(cè)時(shí)間，劣勢(shì)則是無法區(qū)分本底宇宙線和伽瑪射線信號(hào)，角分辨 率一般，我國(guó)西藏羊

15、八井的ASy和ARGO屬于大氣簇射探測(cè)實(shí)驗(yàn)。除了伽瑪射線信號(hào)外，目前科學(xué)家還通過探測(cè)中微子子，正電子和反質(zhì)子等 粒子來探測(cè)暗物質(zhì)粒子湮滅信號(hào)。四、世界最新研究現(xiàn)狀2008年，中意合作課題組(DAMA/L舊RA)宣布他們的地下實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了某種周期性變化現(xiàn)象，可能與暗物質(zhì)粒子有關(guān)。但是并沒有被其他更靈敏的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。2008年空間間接法實(shí)驗(yàn)也取得了很大的進(jìn)展。以中美科學(xué)家為主的ATIC探 測(cè)器發(fā)表了宇宙高能電子觀測(cè)結(jié)果。ATIC發(fā)現(xiàn)高能電子流量在300-800GeV能 區(qū)間與理論模型相比高了將近3倍。該結(jié)果在低能部分被歐洲的PAMELA正電 子實(shí)驗(yàn)證認(rèn)。這些超可以被解釋為暗物質(zhì)粒子湮滅或衰變的產(chǎn)物。當(dāng)

16、然，目前的 觀測(cè)結(jié)果還不夠精確，還不能排除附近天體的貢獻(xiàn)。ATIC結(jié)果表明電子的觀測(cè)科學(xué)意義重大，許多原初觀測(cè)目的不是電子的探 測(cè)器都開始進(jìn)行電子測(cè)量。2009年5月世界最大空間伽瑪射線望遠(yuǎn)鏡FERMI 公布了其半年的電子觀測(cè)數(shù)據(jù)，盡管其結(jié)果與理論模型比較，在100GeV以上 也有“超”，但“超”的大小比ATIC小得多。地面最大伽瑪射線望遠(yuǎn)鏡HESS的觀 測(cè)結(jié)果表明，高能電子能譜在TeV附件存在拐點(diǎn)，這與ATIC發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象類似。目前的觀測(cè)結(jié)果表明，ATIC，PAMELA，F(xiàn)ERMI,HESS幾個(gè)探測(cè)器的觀測(cè) 數(shù)據(jù)與理論模型相比都存在“超”，但“超”的大小并不一致。由于ATIC、FERMI、 H

17、ESS這三個(gè)探測(cè)器本來都不是用來觀測(cè)電子的，在電子觀測(cè)方面都存在弱點(diǎn)。 ATIC是氣球觀測(cè)，無法扣除宇宙射線與大氣產(chǎn)生的本底，另外探測(cè)器的有效面 積很小，觀測(cè)時(shí)間也很短，統(tǒng)計(jì)精度不高。FERMI的主要目的是伽瑪射線天文， 由于量能器厚度不夠包含整個(gè)電磁級(jí)聯(lián)蔟射，能量分辨本領(lǐng)很差。HESS是地面 測(cè)量，本底抑制和能量分辨是其主要弱點(diǎn)，系統(tǒng)誤差很大。所以現(xiàn)在下結(jié)論還為 時(shí)過早。我們需要新型高分辨低本底大型空間探測(cè)器。五、2009年展望目前國(guó)際上，暗物質(zhì)的探測(cè)實(shí)驗(yàn)正處在蓬勃發(fā)展的階段，未來十年將是暗物質(zhì)探測(cè)的 黃金時(shí)代。2009年歐洲核子中心的大強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)開始工作，將可能大大推進(jìn)目前的暗物質(zhì)研究。另

18、外是非加速器實(shí)驗(yàn)，隨著探測(cè)器的靈敏度大大提高，地下直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)和空間間接 觀測(cè)實(shí)驗(yàn)也有可能產(chǎn)生新的突破。所謂“暗能量”以及對(duì)它的探究所謂“暗能量”以及對(duì)它的探究1998年有兩組天文學(xué)家報(bào)告說，幾十顆顯得異?；璋档腎a型超新星，由其輻射光 的紅移，按通?！岸疾防展健狈治觯贸觯河钪妫?0億年前）在加速膨脹，進(jìn)而把它作為 “暗能量”以及它正在猛烈拉開宇宙的證據(jù)。而設(shè)想有所謂“反引力”的暗物質(zhì)充滿宇宙各處。 但是，仍有不少令人困惑的問題令人莫衷一是，仍然不能確定它的這種性質(zhì)。美國(guó)華盛頓郵報(bào)網(wǎng)站2008年9月25日，以題為“宇宙之謎”的報(bào)道：仍然認(rèn)為“目前宇宙中還有一塊未知地區(qū)，這就是暗能量。早在2003年，為了確定這個(gè)所謂“暗能量”，及其變化規(guī)律，就還有研究小組準(zhǔn)備用5 年時(shí)間，繼續(xù)搜集幾十顆超新星足夠充分的數(shù)據(jù)。并在此后，起碼還需3年，增加幾百顆 超新星的數(shù)據(jù)，才希望能使判斷“暗能量”斥力性質(zhì)的參量精確到10/100以內(nèi)。如果這個(gè)參 量的值是不變的，才能得出“暗能量”