從天王星運動到星系團中的稀土

從天王星運動到星系團中的稀土

1物質存在的來源自從牛頓發(fā)現(xiàn)了重力定律以來，人們開始解釋各種身體系統(tǒng)的運動法。在這個過程中，黑暗的概念已經形成。比如,對于天王星運動異常的解釋導致法國天文學家勒威耶(UrbainLeVerrier)和英國天文學家J.C.亞當斯(J.C.Adams)猜測到海王星的存在,并最終于1846年由J.G.伽勒(J.G.Galle)發(fā)現(xiàn)了海王星。由行星運動異常而猜測到另外一顆未被發(fā)現(xiàn)行星的存在非常類似于今天我們關于暗物質的認識過程。目前從星系到宇宙學尺度的觀測都發(fā)現(xiàn)可觀測物體運動的異?，F(xiàn)象,這表明可能存在我們還沒有“看見”的物質,即暗物質,它們通過引力效應影響了可見物體的運動?，F(xiàn)代意義上的暗物質概念最早是由瑞士天文學家F.扎維奇(F.Zwicky)提出的。1933年F.扎維奇研究后發(fā)星系團中星系運動的速度彌散,他根據所測得的星系速度彌散并應用維理定理得到了后發(fā)星系團的質光比,發(fā)現(xiàn)其比太陽的質光比要大400倍左右。今天,天文學家有許多辦法可以測定星系團的質量,如通過弱引力透鏡效應,通過團內熱氣體的X射線發(fā)射輪廓以及通過徑向速度分布等。20世紀70年代,美國天文學家V魯賓(V.Rubin)通過對旋渦星系的詳細觀測,使得“暗物質”這個概念得到了科學界的認可。漩渦星系旋轉曲線的測量是暗物質存在最直接的證據。2006年錢德拉X-射線望遠鏡觀測到兩個星系團的合并,發(fā)現(xiàn)星系團中發(fā)光的熱氣體(由X-射線像確定其位置)和兩個星系的質量中心(由引力透鏡觀測確定其位置)并不重合。這一現(xiàn)象被認為是暗物質存在的直接證據,這是因為可見的重子物質之間由于摩擦力而互相黏滯,但暗物質粒子可以相互通過,從而造成星系團中暗物質和重子熱氣體在空間上分離成兩團。這個結果引起了學界的廣泛關注,因為這基本排除了通過修改引力理論來解釋所觀察到的異常現(xiàn)象的途徑。近年來由于WMAP衛(wèi)星對微波背景(CMB)各向異性的精確測量,我們可能通過擬合WMAP的數(shù)據精確確定宇宙中暗物質的總量。目前擬合的結果給出暗物質在整個宇宙中所占的組分大約是22%。總之,自從暗物質的概念提出至今,人們在各種尺度的天文觀測中都發(fā)現(xiàn)了暗物質存在的證據。目前,暗物質的存在已經被人們普遍接受,并且成為研究宇宙大尺度結構形成過程的必不可少的要素。暗物質的存在是通過天文觀測發(fā)現(xiàn)的,然而標準模型中不包含能解釋暗物質的基本粒子。暗物質粒子探測和研究很可能導致物理學產生新的革命。目前世界各國都在集中人力、物力和財力研究這一問題。例如,美國國家研究委員會由19名權威物理學家和天文學家聯(lián)合執(zhí)筆的2002年的報告中列出了新世紀要解答的11個科學問題,“什么是暗物質”列在第一位。報告同時建議美國政府研究機構加強協(xié)調、集中資源為這些難題尋找答案。目前暗物質的探測實驗正處在蓬勃發(fā)展的階段,未來十年將是暗物質探測的黃金時代。2物質直接探測由于暗物質粒子不與光作用,也不會發(fā)光,普通的光學觀測無法發(fā)現(xiàn)它的蹤跡。為了了解暗物質的本質,目前的探測方法大致可以總結為如下三種:第一種方法是在加速器上將暗物質粒子“創(chuàng)造”出來,并研究其物理特性。由于暗物質粒子即使被“創(chuàng)造”出來,也不會被探測器發(fā)現(xiàn),只能通過其他可以看見的粒子來推測出是否有這樣的粒子產生。雖然暗物質粒子不能被直接觀察到,但它一定會帶走“能量”(“創(chuàng)造”暗物質粒子需要能量),因此從丟失的“能量”及其分布可以推測暗物質的某些性質。歐洲核子中心(CERN)的大型強子對撞機(LHC)被認為很有可能“創(chuàng)造”出暗物質粒子。第二種方法是直接探測法。該方法是直接探測暗物質粒子和原子核碰撞所產生的信號。由于發(fā)生碰撞的概率很小,產生的信號也很“微弱”。為了降低本底,通常需要把探測器放置在很深的地下。暗物質直接探測實驗是目前尋找暗物質粒子最重要的探測方式。目前的實驗精度下,我們只可能探測到弱作用重粒子(WIMP)的信號,而更弱的信號,如軸子、超對稱引力子是無法用這種方法探測的。第三種辦法稱為暗物質的間接探測法。間接法是觀測暗物質粒子衰變或相互作用后產生的穩(wěn)定粒子如伽馬射線、正電子、反質子、中微子等。根據目前的理論模型,暗物質粒子衰變或相互作用后可能會產生穩(wěn)定的高能粒子,如果我們能夠精確測量這些粒子的能譜,可能會發(fā)現(xiàn)暗物質粒子留下的蛛絲馬跡。由于地球大氣的影響,在地面上無法精確測量粒子的能譜,實驗必須要在空間進行。3實驗2:國際先進技術助力實驗暗物質粒子探測是目前科學研究熱點,競爭激烈。弄清這方面的國際形勢對我國發(fā)展暗物質探測很重要。歐洲大型強子對撞機是世界上最大的大型強子對撞機,它的設計目標是對撞兩個反向回旋的質子束流,質子束流的總能量最高可達14萬億電子伏特。最新運行能量已經達到該能量的一半——7萬億電子伏特,這也是迄今最高能量的質子束流對撞試驗。要在加速器上進行暗物質實驗,需要很高的能量。至今所有的加速器(包括歐洲大型強子對撞機)實驗還沒有發(fā)現(xiàn)暗物質粒子的跡象,取得突破必須要能量更高的加速器。根據我國的經濟實力,短期內建造一個世界最大的加速器顯然不現(xiàn)實。目前的發(fā)展必須依靠國際合作,參加國際大加速器實驗。地下直接探測實驗國際上已進行了數(shù)十年,我國在這方面還是空白。由于暗物質粒子產生的信號很“微弱”,為了降低本底,通常需要把探測器放置在很深的地下。中意合作DAMA實驗發(fā)現(xiàn)了一個時間調制現(xiàn)象,該現(xiàn)象可以解釋地球繞太陽公轉的原因:地球與暗物質粒子的相對速度隨季節(jié)變化,在每年的6月份可能通過一個較高的暗物質粒子流強,而在每年的12月份可能通過一個較低的暗物質粒子流強。2009年12月18日,CDMS地下實驗項目組宣布,所發(fā)現(xiàn)的2個事件可能與暗物質粒子有關。CDMS所用的探測器被埋在美國明尼蘇達深達766碼(700米)的地下,周圍的巖石、塑料、鉛、銅和其他物質被用來阻止除了暗物質之外的正常微粒到達探測器,這樣可能與暗物質相混淆的宇宙射線和其他粒子就被排除在外了。要確信來自暗物質,兩個信號還是太少了,經過計算得知其中的一個信號事件可能來自于背景噪聲。CDMS研究小組打算將他們的探測器升級到更為靈敏的水平,以期發(fā)現(xiàn)更為實質性的暗物質信號。目前國際上大約有幾十個科學小組在設計實驗以期發(fā)現(xiàn)暗物質接近普通物質原子的那一刻產生的信號,其中XENON100的實驗是靈敏度最高的,如果此前的實驗結果是正確的,XENON100試驗應該發(fā)現(xiàn)多個暗物質粒子事件,除非暗物質的性質與人們以前認為的有很大不同。今年5月XENON100實驗公布了其最新觀測結果,沒有發(fā)現(xiàn)暗物質粒子存在的跡象。這說明暗物質比很多人以前認為的更難被發(fā)現(xiàn)。地下暗物質實驗的主要難點是本底抑制。要將本底降下來,除了選擇合適的實驗地點外,更主要的是依靠先進探測器技術。這方面我國與國際先進水平還有較大差距。地下實驗要取得突破,首先是掌握國際最先進技術,起步階段的實驗可以采用國際先進技術方案。當然,采取國際相似方案不可能取得根本性的發(fā)現(xiàn),國外實驗規(guī)模比我們大,開展得也比我們早,地下試驗的關鍵還是在掌握了國際先進探測器技術后,設計出比國外更靈敏的實驗。最新空間間接探測試驗結果主要來自于FERMI伽馬射線望遠鏡,PAMELA空間探測器,ATIC南極氣球實驗等。2009年3月FERMI衛(wèi)星公布其一年半的觀測數(shù)據,經伽馬射線譜線探測,背景分布方面沒有探測到任何明顯信號與暗物質粒子有關。另外在電子觀測方面ATIC、PAMELA、FERMI、HESS幾個探測器發(fā)現(xiàn)電子觀測數(shù)據與理論模型相比都存在“超”,但“超”的大小并不一致。由于ATIC、FERMI、HESS這三個探測器本來都不是用來觀測電子的,在電子觀測方面都存在弱點,這些差異可能來自儀器的系統(tǒng)誤差。反質子觀測方面,PAMELA上天3年,觀測到的反質子能譜基本與宇宙線次級能譜吻合很好,沒有探測到異常特征。當然,目前的觀測結果由于精度不夠,下結論還早,需要新的高精度實驗。從目前的發(fā)展趨勢來看,暗物質粒子的觀測由于其重大的科學意義,必將是今后的科研熱點。觀測暗物質粒子產生的次級產物由于其信號特征明顯成為“AMS”“FERMI”等大科學工程的主要科學目標。4高能電子探測的原理暗物質粒子空間實驗國際上也是剛剛起步,如果我們能夠選擇合適的切入點,加上我國先進的航天力量,有可能在短期內取得突破,因而應該作為我國暗物質探測的優(yōu)先選擇。空間探測的關鍵是如何選擇合適的探測粒子對象。最好的方案是用一個探測器可以探測所有種類的粒子。但要將各種粒子區(qū)分開來,需要大型磁譜儀。AMS02是一個完美的磁譜儀探測器,但研制AMS02,時間要超過10年,經費要超過20億美元,還需采用大量先進探測器技術,這些超過了我們的能力。所以選擇合適的探測對象(粒子類型)是尋找突破點的關鍵。由于高能伽馬射線不受宇宙空間磁場等其他因素的影響,可以直線傳播,伽馬射線信號可以追溯到暗物質的“源”,所以探測暗物質粒子湮滅產生的伽馬射線是非常重要的探測暗物質粒子的手段。尤其是根據目前的理論模型,暗物質粒子湮滅后可能產生伽馬射線譜線,這將作為暗物質粒子產生的最確切的信號。另外暗物質粒子理論模型表明:暗物質粒子衰變或湮滅時,會在宇宙電子或者正電子能譜中產生“顯著特征”。由此,高精度觀測高能電子或正電子能譜可以間接探測暗物質粒子。從目前已有的觀測結果看,高分辨觀測高能伽馬射線和電子是探測暗物質粒子可能的突破點?？臻g觀測高能電子和伽馬射線的關鍵是本底抑制。宇宙伽馬射線和電子流量與宇宙線本底(主要是質子和氦核)相比,流量要低百倍以上。如何將伽馬射線和高能電子與宇宙線本底區(qū)分開來是影響實驗成功的關鍵。伽馬射線由于其不帶電,可以通過判斷入射粒子是否帶電,將其與宇宙線本底區(qū)分開來。探測宇宙高能電子是一件困難的事情,區(qū)分電子和宇宙線本底需要特殊探測器技術。首先從物理特性上看,電子是輕子,電荷為-1,靜止質量為511keV,質子是強子,電荷為+1,靜止質量為938.27MeV。電子探測器設計主要是探測這些物理特性,區(qū)分電子和質子。目前常用的探測器技術是:磁譜儀、穿越輻射探測器、切倫柯夫成像探測器、中子探測器、高分辨圖像量能器、高能量分辨量能器。隨著粒子能量的增加,磁譜儀、穿越輻射探測器、切倫柯夫成像探測器的粒子區(qū)分本領會大大降低,能夠探測能量在TeV以上電子的探測器技術只有中子探測器、高分辨圖像量能器、高能量分辨量能器。由于電子能譜比宇宙線強子能譜要軟,要探測TeV以上的高能電子需要將本底至少降低1萬倍以上。而高分辨圖像量能器在TeV以上的區(qū)分本領也不強,所以觀測TeV以上的高能電子主要是依靠高能量分辨量能器。從PAMELA、ATIC、FERMI等實驗的觀測經驗看,高能量分辨量能器的粒子區(qū)分本領主要依靠探測器厚度,厚度越厚,區(qū)分本領越強。增加探測器厚度,意味著增加探測器重量?？臻g實驗衛(wèi)星的重量是有限制的,如何在有限的重量限制范圍內,設計出一個低本底高分辨的探測器是一個重要研究內容。從上邊可以看出,暗物質粒子空間探測是一件十分復雜的事情?？茖W探測必須要達到國際先進水平,否則意義不大。要達到國際先進水平,必須要采用大量先進技術。采用大量的先進技術后,使得探測器研制難度增加,探測器可靠性可能要下降?？臻g探測需要花費大量的資金,所以可靠性永遠是擺在第一位的重要考慮。如何處理可靠性與先進技術指標之間的矛盾是一個重要課題。5國內關于物質粒子探測的研究現(xiàn)狀暗物質研究是天文學,粒子物理、理論物理的交叉學科。國際上,美歐日等都將暗物質探測列為21世紀重大科學研究的重點,國內在最近中科院2050創(chuàng)新規(guī)劃路線圖中,將暗物質課題列為科學前沿問題的第一位。無論在實驗探測還是理論研究方面國內都已經具備了很好的基礎。國內多個單位都正在開展地下和空間暗物質粒子探測研究。2009年11月24日至26日在北京召開以“空間探測暗物質粒子”為主題的香山科學會議,國內外四十余位多學科跨領域的專家學者與會,圍繞暗物質理論研究、暗物質空間分布與天文觀測、暗物質粒子空間觀測、高能電子和伽馬射線的空間觀測技術等中心議題進行深入討論。與會專家提出暗物質存在已經得到天文大尺度觀測的證認,可能導致現(xiàn)代物理學突破,國內已有一定的研究基礎,具備天時,地利,人和的良好條件,我國必須開展暗物質粒子探測。理論研究方面,國際上很熱,但問題還沒有得到解決,我國理論研究很活躍,在我國未來的實驗研究中,必須加強理論研究和空間探測工程實踐的交流,從理論研究中尋找觀測的重點。在暗物質的間接探測方面,國際上還是主要通過探測伽馬射