中科院高能所毕效军斟酌员应邀来作者校授课,
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(物理与材料科学学院 周海静 刘 宁)

图9.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

毕效军作了题为“AMS-02观测结果和我国空间实验的科学预期”的学术报告。他针对国际空间站的AMS-02实验,详细介绍了AMS-02的观测结果,并运用物理学原理对相关结果进行了解释,对暗物质信号的限制因素进行了简单说明。之后,他简要介绍了我国发射暗物质粒子探测卫星“悟空”来寻找暗物质信号的基本情况,以及“悟空”现阶段的观测结果。

以上所介绍的是通过星系中恒星的旋转速度判断暗物质的存在,是暗物质存在最直接的观测证据。其他天文观测还有许许多多,无不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,可以说是当前人类对宇宙的最新认识。

6月8日下午,应我校物理与材料科学学院邀请,中国科学院高能物理研究所粒子天体中心研究员毕效军来我校讲学。学术报告会在物理南楼学术报告厅举行,物理与材料科学学院相关专业教师、研究生和部分本科生参加了报告会。报告会由物理与材料科学学院副院长曹俊杰主持。

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报告会结束后,毕效军就相关问题与在场师生进行了热烈的讨论。

尽管大量的天文观测已经证实了暗物质的存在,但是,与发现海王星的过程不同的是,经过多年的各种努力尝试后我们仍然没有直接观测到暗物质的存在。暗物质究竟是一种什么样的物质呢?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,目前我们所知道的它是稳定的、不带电的、运动速度很慢的粒子。然而,其具体的性质如何,比如其质量大小,其相互作用的性质等都无法确定。

图10.AMS-02观测的宇宙线中正电子所占比例和不同的理论模型解释

图2.太阳系的行星结构

物理学家也提出了许许多多的暗物质模型来解释暗物质的现象,然而,由于没有暗物质观测的直接数据,因而,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,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由高温高密的物质状态中产生出来的,这就和普通物质的产生是相同的过程。如果这一假设成立,研究发现当暗物质质量和相互作用强度和我们已经了解的弱作用类似,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。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。

暗物质是天文学家观测宇宙时发现的一种“暗”的物质。所谓“暗”的物质是指没有观测到这种物质任何的电磁辐射。我们知道,天文学家观测宇宙所通过的媒介是不同波段的电磁波,如图1所示,根据波长的不同,电磁波从波长最长的无线电波、微波、红外线、可见光到波长比较短的紫外线、X射线和能量最高的γ射线。现代的天文观测仪器发展迅速,在各个波段都有非常强有力的观测仪器,然而,所有这些强大的天文仪器都没有观测到暗物质所发射的电磁辐射,故而被称作暗物质。

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我国的“悟空”卫星就是希望能够在更高的能量范围内测量宇宙线电子的能谱(由于“悟空”探测器不带磁场,因而无法区分正负电荷,它测量的实际是电子和正电子加起来的能谱,我们统称为电子能谱),从而可以帮助研究宇宙线超出的正电子的来源。“悟空”的第一个实验结果在2017年底发表,这个结果是第一次通过空间直接探测,把宇宙线电子的能量测量到4.6TeV,并发现了能谱的“拐折”的结构,但是,这些还是不足以确认是否存在暗物质。寻找暗物质可能需要在更高能量及更高精度上进行研究。我国空间站的未来宇宙线实验HERD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。

图5.银河系的物质分布:普通恒星分布在盘状结构上,而暗物质则形成一个巨大的几乎球对称的晕状结构,称作暗物质晕。

总之,暗物质问题是当前基础物理学研究中一个至关重要的问题,科学家为解决这一问题做出了不懈的努力。然而,这些探寻暗物质的工作,尽管取得了巨大的进步,获得了多方面的科研成果,却仍然没有找到确定的暗物质信号,暗物质之谜将继续存在并依然困扰着人们。可喜的是,我国科学家在这一领域虽然起步较晚,但已经取得了国际领先的成果,在不同暗物质探测方向上都显示了极强的竞争力。(本文选自《现代物理知识》2018年第2期,作者为中国科学院高能物理研究所研究员毕效军)

暗物质的直接探测就是寻找当暗物质粒子打到探测器后所留下来的信号,通常这个信号非常的微弱,而宇宙线的噪声信号要远大于暗物质的散射信号。因而,为了探测到这样微弱的信号,需要把探测器放在很深的地下实验室以把宇宙线噪声屏蔽掉。图7显示的是世界上地下实验室的分布以及每个实验室中所开展的暗物质直接探测实验。我国的四川锦屏地下实验室于2010年建成,是目前最深的因而也是宇宙线噪声最小的地下实验室,非常适于暗物质探测实验的开展,目前有两个直接探测实验正在锦屏地下实验室进行。不过,尽管直接探测实验已经开展了大约30年的时间,实验灵敏度有了巨大的提高,但是到目前为止,还是没有发现令人信服的暗物质散射的信号。

暗物质的间接探测的原理如图8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。间接探测即是通过寻找宇宙线中的这些信号来寻找暗物质。间接探测实验通常在地面和空间进行,地面的实验适合探测暗物质湮灭所产生的γ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。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。目前正在进行的空间实验有如下几个。Fermi卫星是美国发射的γ射线探测卫星,用来寻找暗物质湮灭所产生的γ射线信号。Fermi卫星2008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PAMELA卫星实验和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。

威尼斯国际平台app ,图6.暗物质的三种探测方式

当前探测暗物质主要包括三类实验方案,如图6所示。要探测暗物质粒子就需要探测到暗物质粒子和普通粒子的相互作用,只有通过对探测信号的分析才能了解图6中“未知相互作用”是什么样的。这种相互作用体现在三个方向上,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,这就是对撞机探测,比如在欧洲核子中心的大型强子对撞机上进行的暗物质寻找就是这种探测方式。横向的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被称为暗物质的直接探测。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被称为暗物质的间接探测。

图11.“悟空”的观测结果---高能电子能谱

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