全新暗物質物理學標準模型。
在太空中的阿爾法磁譜儀。
哈勃望遠鏡獲取迄今最精確暗物質分布圖。
丁肇中在參與阿爾法磁譜儀的實驗。
2月18日，在美國科學促進會年會上，美國麻省理工物理學家丁肇中領導的研究團隊對外宣布，阿爾法磁譜儀發(fā)現(xiàn)了弱相互作用大質量粒子(WIMP)存在的證據，而WIMP就是一種暗物質的候選體。丁肇中稱，將于未來兩到三周發(fā)表涉及暗物質的研究論文，對這項研究的進展作詳細闡述。如果此次暗物質的發(fā)現(xiàn)能夠得到確認，那么人類對于宇宙的認知無疑向前邁進了一大步。
本報記者高玉
這篇論文等了18年
“我們等待了18年來寫這篇論文，如今到了最后確認階段。”丁肇中在波士頓的一次美國科學促進會的年會上發(fā)言道，“我預計在未來兩到三周內，我們就能發(fā)布研究成果。我們一共有6個分析小組對相同的數(shù)據結果進行分析。眾所周知，每個物理學家都有他們自己的見解，我們現(xiàn)在要保證每個人都能同意彼此的觀點。這項工作現(xiàn)在已經完成得差不多了。”
作為人類在太空中進行的最為昂貴的實驗，阿爾法磁譜儀項目即將向地球發(fā)送回首批觀測數(shù)據。這個大型的實驗裝置被放置在國際空間站上，用于探測宇宙射線及高能粒子。阿爾法磁譜儀項目最初便是由丁肇中提議開始。雖然天文望遠鏡無法探測到大質量弱相互作用粒子，但阿爾法磁譜儀很有希望通過間接的方法來確認其存在，并描述它的性質。即將刊出的研究論文將對這項研究的進展作詳細闡述。
阿爾法磁譜儀重達7噸，擁有一個巨大的特制超導磁鐵，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器對粒子的質量、速度和能量等進行分析，科學家便能準確知道捕獲的是什么粒子。丁肇中稱，在阿爾法磁譜儀運行的最初18個月中，已經探測了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記者表示，根據現(xiàn)在丁肇中透露的消息，只能說探測到暗物質湮滅的信號的可能性比較大，但這些信號來自暗物質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，還需等待論文發(fā)表后才能確定。
如果發(fā)現(xiàn)的正電子從某個特定的方向發(fā)出，就意味著該信號是來自像脈沖星一類的天體，而不是暗物質。如果是來自各個方向的，那就是來自暗物質。
據悉，此次阿爾法磁譜儀的數(shù)據涉及的是0.5至350GeV(10億電子伏特)質量范圍內的正電子—電子比例。這一范圍已經是其他實驗中科學家認為可能發(fā)現(xiàn)暗物質的上限。
據美國芝加哥大學的宇宙學家邁克爾·特納教授介紹，理論上，這種粒子的質量大約在質子質量的30、40和300倍之間。大型強子對撞機能夠制造這樣質量的粒子，丁肇中的阿爾法磁譜儀能探測到這樣質量的粒子湮滅，而位于深地底的探測器對這樣質量的粒子也非常敏感。
“如果非常幸運的話，我們能同時獲得有關暗物質的三個特征信號，分別是通過觀測粒子湮滅、直接探測粒子以及用大型強子對撞機制造粒子，這三種方法在同樣的質量范圍內都很靈敏。” 特納說。
“宇宙中有很多物質能夠模擬暗物質的特征。”哈佛大學理論物理學家麗莎·藍道爾說，盡管她非常迫切等待阿爾法磁譜儀的結果。
不管阿爾法磁譜儀是否發(fā)現(xiàn)了暗物質，科學家都希望有關暗物質起源的問題能夠變得更加明朗。除了阿爾法磁譜儀，其他實驗，例如位于瑞士的大型強子對撞機進行的實驗，以及深埋地下的暗物質探測器實驗，都可能在不遠的未來有所新發(fā)現(xiàn)。“我相信我們都位于發(fā)現(xiàn)的門檻，在未來幾十年內肯定會有所突破。”麗莎·藍道爾說。
改變宇宙構成認識
如果丁肇中團隊這次確實發(fā)現(xiàn)了暗物質，其意義何在？中科院理論物理研究所研究員李淼認為，暗物質的發(fā)現(xiàn)將改變人們對宇宙構成的認識。
“我們整個宇宙的構成分三塊：73%的暗能量，23%的暗物質和4%我們已知的物質，可以說4%以外的部分大都屬于未知。如果此次暗物質的發(fā)現(xiàn)能夠得到確認，那么人類對于宇宙的認知無疑向前邁進了一大步。”李淼說。
另外，暗物質的發(fā)現(xiàn)對于天文學家來說也有特殊意義，它解決了一個多年的謎題。李淼表示，通過萬有引力定律很難解釋一些物理現(xiàn)象，太陽系或者銀河系為何能維持現(xiàn)在的狀態(tài)，光靠可見物質的引力是無法解釋的，但在暗物質的假設模型里就可以解釋。
暗物質的作用就像宇宙膠水。因為物質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，天文學家需要暗物質提供的引力把它們聚集起來。如果最后發(fā)現(xiàn)暗物質不存在，這意味著關于引力的理解在大尺度上是錯誤的，這對于很多天文學家來說是不可想象的。
李淼表示，暗物質與其他物質伴生，有物質的地方就有暗物質，但分布得更廣。比如說，在有恒星、星系的地方一定有暗物質，但暗物質要比這些星系占的空間大許多，所以暗物質的質量比星系質量大。
最新研究
暗物質研究將建
全新物理學標準模型
美國科學促進會日前宣布：暗物質研究領域獲得重大突破—發(fā)現(xiàn)新線索將建立全新暗物質物理學標準模型。
一直以來，科學家為了深入研究暗物質，打造出極為先進的研究工具，這幫助科學家了解了宇宙中的一些秘密。而現(xiàn)在，美國科學促進會宣布：科學家首次發(fā)現(xiàn)了一些關于暗物質的新線索。
據報道，這次暗物質領域獲得的重大突破對于暗物質物理學標準模型來說，也是一個極大的挑戰(zhàn)。據了解，暗物質理論在八十年前就誕生了，瑞士天體物理學家弗里茨·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，暗物質是由所謂的大質量弱相互作用粒子快速形成的。
來自芝加哥大學宇宙物理卡弗里研究院的負責人邁克爾·特納表示，他們已經處于宇宙主要研究的開端。因為他們發(fā)現(xiàn)了一種神奇的暗物質，挑戰(zhàn)了所謂的標準物理模型。這對于識別粒子穩(wěn)定性來說非常重要，可以說該發(fā)現(xiàn)非常有意義，因為標準模型只能幫助人們了解部分的宇宙。標準模型只能對宇宙中4%到5%的物質進行解釋。而占據宇宙物質23%的暗物質以及占據宇宙72%到73%的暗能量卻無法探索，盡管這兩種物質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，神秘的暗物質控制了重力及宇宙中剩下的一切。而現(xiàn)在讓科學家感到興奮的是，他們在暗物質中發(fā)現(xiàn)了一些新東西，建立了全新的暗物質物理學標準模型，這在暗物質研究領域是一個重大突破。
美歐將攜手探索
暗物質、暗能量
美國航天局上月24日宣布將參與歐洲航天局的歐幾里德項目，雙方將攜手探索宇宙中神秘的暗物質和暗能量。
美國航天局當天發(fā)布的聲明說，雙方最近簽署了協(xié)議，美國航天局將在這一項目中，為歐幾里德太空望遠鏡提供16個最先進的紅外探測器及4個備用探測器，并為歐航局提供由40名科學家組成的3個科學團隊。
歐幾里德太空望遠鏡將于2020年升空，到達第二拉格朗日點，隨后在6年的任務期內，繪制宇宙中約20億個星系的分布圖，揭示宇宙間暗物質、暗能量的真相及其對宇宙進化的影響。
暗物質是宇宙中看不見的物質，也就是說沒有發(fā)出可見光或其他電磁波，用天文望遠鏡觀測不到。不過，暗物質同樣產生萬有引力，會對可見物質產生作用。根據現(xiàn)有的假說和觀察，科學家估計暗物質質量占宇宙總質量的90%以上。暗能量是一種不可見、能推動宇宙運動的能量，宇宙中所有恒星和行星的運動皆由暗能量和萬有引力推動。
拉格朗日點是指衛(wèi)星受太陽、地球兩大天體引力作用，能保持相對靜止的點，共有5個，其中第二拉格朗日點位于日地連線上地球外側約150萬公里處。在這一點上，探測器消耗很少的燃料即可長期駐留。
延伸閱讀
中國錦屏
地下暗物質實驗室
地下實驗室是暗物質實驗一個必不可少的條件。目前，全球的地下實驗室有十幾個，為了避免專門挖掘地下實驗室的高成本，它們都是利用已有的土建設施，基本分為兩類，一類是利用廢棄的礦井，比如美國700米深的SOUDAN地下實驗室，在建的DUSEL地下實驗室有幾百米到2400米深的多個實驗廳。另一種是利用隧道，在隧道里橫向挖出實驗大廳。最著名的有意大利的GRAN SASSO地下實驗室，入口建在一條10公里長高速路隧道的中部，上方有1700米巖石覆蓋，實驗室內有3個各100米長、20米寬、20米高的實驗大廳和眾多較小的實驗廳和通道，內容積目前世界第一。
2010年12月，中國錦屏極深地下暗物質實驗室正式掛牌。該地下實驗室有一個40米長、6.5米寬、8.5米高的實驗大廳，盡管目前大廳總容積不是很大，但它是目前世界上條件最好的地下實驗室：首先，它是當前世界上最深的地下實驗室，上方有2.5公里巖層覆蓋，宇宙射線通量最少，其次，地下實驗室所在處不是花崗巖，而是大理巖，其自然放射性相當?shù)停瑢嶒灆z測發(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。這些都為暗物質直接探測實驗提供了非常好的條件。目前地下實驗室的各個物理參數(shù)，包括宇宙射線通量、光子和中子的通量，都在測量之中。
釋疑
如何發(fā)現(xiàn)暗物質？
如果實驗檢測到在某能量處存在大量正電子，這或可能暗示著檢測到了暗物質，因為電子在宇宙中無處不在，而已知的天體物理學過程很少會產生正電子。
“發(fā)現(xiàn)暗物質存在的確鑿證據是觀測到正電子的數(shù)量驟升，然后迅速銳減。”這是因為暗物質湮滅產生的正電子具有特定的能量，而后者取決于組成暗物質的WIMP的質量，美國芝加哥大學的宇宙學家邁克爾·特納說，“這便是探測到暗物質存在時會出現(xiàn)的關鍵特征。”
如果在特定能量區(qū)域探測到了正電子的數(shù)量峰值，并且正電子的來源具有各向同性的話，那么就暗示探測到了“暗物質”。這是因為在我們周圍，電子占據主要地位，除了暗物質湮滅能產生大量正電子之外，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系，科學家認為這其中隱藏著關于暗物質湮滅以及暗暈密度的信息。”在距離銀河系中心10萬至30萬光年區(qū)間內存在神秘的結構，這里被研究人員認為存在大量的暗物質成分，擁有龐大的質量，銀河系總質量中絕大部分由這些暗物質構成。
根據當前的暗物質模型，銀河系外圍的暗物質分布可能擴展至100萬光年的跨度，而銀河系的直徑為10萬光年左右。物理學家估計，宇宙中普通物質如星系、恒星只占全部質量的4%，其他24%是暗物質，而剩余的為暗能量。
什么是WIMP?
WIMP被認為是一種暗物質的候選體。那么，什么是WIMP？
上海交通大學粒子物理宇宙學研究所劉湘在一篇文章中曾介紹，關于暗物質究竟是什么，研究者曾對這種物質可能的形態(tài)做過很多理論上的猜測。就目前而言，被研究得最多也是最被看好的暗物質模型是所謂弱相互作用大質量粒子。這種粒子的特點是雖然沒有電磁相互作用和強相互作用，但是參與弱相互作用，同時質量比質子和中子大。
劉湘認為，WIMP之所以成為暗物質的熱門候選者主要有3個原因：首先，WIMP具有“冷暗物質”的各種性質，而基于冷暗物質的宇宙學模型與觀測符合得比較好。其次，在粒子物理理論中比較容易構造出符合WIMP特點的粒子。例如，流行的超對稱理論就預言可能存在最輕超對稱粒子，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)計物理的粒子退耦理論計算，WIMP的數(shù)量也剛好和暗物質密度的觀測值在同一個數(shù)量級。即WIMP可以很好地放入我們今天的宇宙理論模型里。
