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暗物质粒子到底何时现身?

元宵节前,传来丁肇中先生领导的一个大型太空实验发现暗物质的消息。好几家媒体要我谈谈看法或写点东西介绍一下。我说,现在只有英国BBC一家新闻,而且语焉不详,现在谈这件事还太早。

不仅媒体在等,研究暗物质的同行更在焦急地等。毕竟,从天文学家第一次推测暗物质的存在已经过去了80年,从天文学家作为一个整体全面承认暗物质的存在也过去了30年,我们只是由对大型天体系统观测间接地推测暗物质的存在,还没有人直接探测到暗物质。

那么,丁肇中的团队到底做了什么?他们终于在4月3日发表了一篇论文,我们终于可以从这篇论文直接解读他们到底发现了什么,而不必从丁肇中谨慎的演讲以及他的面部表情中解读这些内容了。

丁肇中团队实验的正式名称叫做阿尔法磁谱仪,这是一台固定在国际空间站上的设备。现在正在运作的阿尔法磁谱仪已经是第二代了,于2011年5月发射。因为是第二代,物理学家用简称AMS-02来称呼它。这个实验总造价15亿美元,曾经引起过争议。不过,经过19个月的观测,AMS发表的结果足以证明这笔钱是花得值的。

天文学家推测暗物质存在

那么,暗物质是什么?各国政府为什么舍得花大价钱建造AMS和其他一些暗物质探测设备,试图找到这种看不见摸不着的物质?

1932年,荷兰天文学家奥尔特通过对银河系中的恒星的运动推测银河系里面应该有更多的质量,也就是说,有一些隐藏的质量不能用可见的恒星来解释, 事后他的结果被认为是错误的。奥尔特是一个高产的天文学家,太阳系外围的奥尔特云就是以他的名字命名的。1933年,瑞士天文学家兹威基研究了由星系结成的星系团,得到类似的结论。他研究的对象是后发星系团,这是一个巨大的星系团,含有上千个星系。不过,兹威基推测的暗物质质量实在太大了。

天文学界真正积累了暗物质证据的时代是上世纪60年代。女天文学家鲁宾对当时天文学的主流研究不感兴趣,去研究不那么主流的星系转动曲线。所谓星系转动曲线就是旋转的星系在距离星系中心不同距离处的速度曲线。她和同事福特一同发现,多数涡旋星系的转动速度大于理论计算的数值,一个最简单的原因是,这些星系含有很多不可见的质量。他们的结果是,星系平均含有高于可见物质6倍的暗物质。

经过天文学家长期的检验,鲁宾等人的结论得以确立,人们找到了更多的暗物质存在的证据,包括观测到了星系引力场对其后面其他星系光线的弯曲,以及现代宇宙学的一些观测。今天,研究星系以及星系尺度之上的天文学不用暗物质几乎是不可能的。


2012年3月2日,美国航天局公布合并星系团Abell 520多波段图像。巨大的星系团正发生碰撞,但天体物理学家不清楚为何暗物质会与正常物质分离。在上面这张多波段影像中,暗物质以蓝色呈现,这是通过仔细分析远方星系发出的光被引力扭曲的程度而描绘出来的。图片来源:NASA

黑洞?还是特殊粒子?

在我读研究生的时候,人们还不知道暗物质究竟是什么。当时流行的两个主要候选者有燃烧尽的恒星和黑洞,以及所谓的“极弱相互作用粒子”,这两类候选者有一个共同特点,都是不发光不可能用电磁学手段探测到的东西,但都引起更大的万有引力。慢慢地,人们认为只有极弱相互作用粒子是可能的候选者。

近年来,宇宙学观测的主要方式有好多种,最引人注目的有两种,一种是用Ia型超新星测量宇宙膨胀的历史,得出的结论是,暗物质占宇宙总质量的 25%。第二种方式是探测宇宙中无所不在的微波背景辐射,这一种方法得到的最新结论是,暗物质占宇宙总质量的26.8%。可见物质有多少?只有4.9%, 这个结果证明,当年鲁宾等人的结果接近正确。(参见《宇宙学几乎完美,除了“邪恶轴心”》一文)

现在,天文学家对暗物质的“共识”是,暗物质的主要成分是不参与电磁相互作用的粒子,这些粒子统称WIMPs(参与极弱相互作用的重粒子)。这些粒子较重,运动的速度较低,叫做冷暗物质,分布于星系中和星系的外围,以及星系团中和星系团的外围——这些结构叫暗物质晕。星系的暗物质晕的密度要大于星系团的暗物质晕。它们的存在使得每个恒星感受到的引力大于恒星引起的引力,使得每个恒星绕星系中心的运动速度变大,使得星系团中的星系之间的相对运动速度变大。另外,它们对背景的星系和星系团具有引力透镜效应。除了可见的引力效应外,暗物质的存在影响了微波背景辐射以及大尺度结构的形成。

地下实验室试图直接探测暗物质

推测暗物质存在的是天文学家,现在,轮到物理学家登场了。

直接探测暗物质的实验已经进行多年,还没有任何具有说服力的结果。这些实验都是地下实验,选择在地下建造实验室是为了屏蔽宇宙射线以及地球表面的其他辐射背景。

地下实验室用来探测暗物质的方法有两个,一个是将晶体放在极低温的环境中探测,温度低于100毫开尔文。当暗物质粒子击中晶体中的一个原子核, 原子核反冲可以被探测到,例如反冲可以产生微小的热量。最常用的晶体是锗。第二种方式是用惰性液体,暗物质粒子与液体中的原子发生反应后产生光子,这些光子可以被探测到。常用的液体有氙和氩。

到目前为止,还没有公认的暗物质被探测到的事例。意大利Gran Sasso地下实验室中的DAMA实验从1996年开始收集数据(用晶体探测手段),到2002年升级,从2003年开始继续收集数据。DAMA实验发现,暗物质导致以年为周期的调制现象。也就是说,由于地球在每年不同的时间相对暗物质的平均速度不同,导致暗物质引发的反冲事例数不同,这个不同会在其他背景事件之上出现年调制现象。但这个结果争议很大,因为其他实验没有证实这个现象,而其他实验用更加成熟的方法扣除了背景导致的事件。

多余的正电子,暗物质的影子?

探测暗物质的第二大类实验是所谓的间接探测,即不是直接观测暗物质与探测器的碰撞,而是探测宇宙空间中暗物质相互作用的后果。例如,假如暗物质粒子就是其反粒子,那么暗物质粒子之间会互相湮灭产生高能光子和正负电子,通过对高能光子和正负电子的探测,我们可以间接地探测暗物质。目前,在太空中最有名的实验是意大利的PAMELA实验,这个实验在2008年探测到多余的正电子。同样,2011年,美国的费米伽玛射线太空望远镜在更高的能量探测到多余的正电子。

正电子当然不是暗物质,是反物质的一种。一般来说,由于恒星和星际物质都是普通的正物质,这些物质通常不会产生反物质。但是,旋转的中子星可以抛出一些反物质,如正电子。所谓多余的正电子,就是超出天文学家通过计算预言的来自于高能宇宙射线的正电子。如果我们观测到多余的正电子,这些正电子可能的来源有两种,一种是旋转的中子星,一种就是暗物质湮灭。

PAMELA卫星和费米伽玛射线太空望远镜的结果让物理学家激动了,不过,这两个观测都不够精确,更不能分辨多余的正电子是否来源于暗物质湮灭。


国际空间站上的阿尔法磁谱仪(右下标有AMS的装置)。图片来源:symmetrymagazine.org

阿尔法磁谱仪果然身手不凡

轮到阿尔法磁谱仪了。

4月初刚刚发布第一批科学结果的阿尔法磁谱仪,领导者是丁肇中,团队成员大约有500人,来自于16个国家56个单位。我们前面说过,AMS- 02是第二代阿尔法磁谱仪,第一代设备是1998年安装在发现号航天飞机上的,而AMS-02是2011年5月安装在国际空间站上的。

经过一年多的观测,AMS-02一共收集了680万个电子和正电子,能量谱很宽,从5亿电子伏特到3500亿电子伏特(这些都是高能粒子,我们知道,电子和正电子的质量只有50万电子伏特,所以5亿电子伏特的能量是电子质量的一千倍)。这些电子和正电子中有40万个是正电子,这是迄今最大的正电子样本,将过去所有实验的样本数目提高了100倍。

这500位物理学家发现,正电子数目与电子数目的比例随着能量逐步提高,证实了PAMELA的结果(意大利人终于靠谱了一次!),在费米伽玛射线太空望远镜结果的误差范围之内,也证实了费米望远镜的结果。

可以说,我们现在确切地知道,正电子真的超出了天文学家预计的结果,一定来自于我们过去不知道的东西。是脉冲星还是超新星,还是我们最期待的暗物 质?我们还要耐心地等待AMS缓慢地捕获更高能量的正电子。也许,更高能量的正电子与电子之比会在一个能量处突然下降(比如说3500亿电子伏,或4000亿电子伏?),那时,我们也许就可以说,暗物质粒子,或者至少一种暗物质粒子的质量大约具有那个能量。

在AMS成果的鼓舞下,其他探测暗物质的实验肯定在加快步伐。

如果说,我们这一代人,有可能在活着的时候亲眼看见物理学家解开暗物质之谜,大概不会太离谱。

 

本文授权转载自@李淼 在《北京日报》上发表的文章,略有改动。

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发布于2013-04-25, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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