2024年的黑暗物質(zhì)

2024年的黑暗物質(zhì)匯報(bào)人：XX2024-01-12引言黑暗物質(zhì)探測技術(shù)宇宙學(xué)觀測與驗(yàn)證粒子物理模型與理論預(yù)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析未來展望與挑戰(zhàn)引言01不可見性黑暗物質(zhì)不發(fā)出任何形式的電磁輻射，因此無法直接通過觀測手段探測到。引力作用盡管黑暗物質(zhì)本身不可見，但它通過引力作用對(duì)可見物質(zhì)產(chǎn)生顯著影響，是宇宙大尺度結(jié)構(gòu)形成的關(guān)鍵因素。粒子性質(zhì)理論物理學(xué)家推測黑暗物質(zhì)可能由一種或多種未知粒子構(gòu)成，這些粒子與標(biāo)準(zhǔn)模型中的粒子有截然不同的性質(zhì)。黑暗物質(zhì)定義與性質(zhì)天文學(xué)觀測通過對(duì)星系旋轉(zhuǎn)、大尺度結(jié)構(gòu)、引力透鏡等天文現(xiàn)象的觀測，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了黑暗物質(zhì)存在的間接證據(jù)。粒子物理學(xué)與宇宙學(xué)聯(lián)系研究黑暗物質(zhì)有助于揭示粒子物理學(xué)與宇宙學(xué)之間的聯(lián)系，推動(dòng)物理學(xué)理論的深入發(fā)展。宇宙學(xué)背景黑暗物質(zhì)在宇宙中的分布和演化對(duì)于理解宇宙的形成、演化和未來命運(yùn)具有重要意義。研究背景及意義多學(xué)科交叉合作研究黑暗物質(zhì)需要天文學(xué)、宇宙學(xué)、粒子物理學(xué)等多學(xué)科的交叉合作，共同推動(dòng)這一領(lǐng)域的研究進(jìn)展。觀測技術(shù)進(jìn)步隨著觀測技術(shù)的不斷發(fā)展，未來將有更多精確的天文觀測數(shù)據(jù)用于研究黑暗物質(zhì)的分布和性質(zhì)。理論模型創(chuàng)新理論物理學(xué)家正在不斷探索新的理論模型，以解釋黑暗物質(zhì)的本質(zhì)和其與可見物質(zhì)的相互作用。實(shí)驗(yàn)探測挑戰(zhàn)盡管有多個(gè)實(shí)驗(yàn)正在嘗試直接探測黑暗物質(zhì)粒子，但到目前為止尚未取得突破性成果。未來需要繼續(xù)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法，提高探測靈敏度。2024年研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)黑暗物質(zhì)探測技術(shù)02在地下深處建立實(shí)驗(yàn)室，以最大程度減少宇宙射線和其他背景輻射的干擾，提高探測器的靈敏度。地下實(shí)驗(yàn)室利用高純鍺晶體作為探測材料，通過測量其原子核反沖的能量來判斷是否有暗物質(zhì)粒子與其發(fā)生碰撞。高純鍺探測器使用液態(tài)氙作為探測介質(zhì)，當(dāng)暗物質(zhì)粒子與氙原子碰撞時(shí)，會(huì)產(chǎn)生閃光和電荷信號(hào)，從而被探測器捕獲。液態(tài)氙探測器直接探測法

間接探測法中微子觀測通過觀測中微子的性質(zhì)和行為，間接推斷暗物質(zhì)的存在。中微子可能與暗物質(zhì)粒子發(fā)生相互作用，產(chǎn)生可觀測的效應(yīng)。伽馬射線暴觀測尋找與暗物質(zhì)湮滅或衰變相關(guān)的伽馬射線暴，這些暴可能是暗物質(zhì)粒子相互作用的結(jié)果。天文觀測利用天文望遠(yuǎn)鏡觀測星系旋轉(zhuǎn)、大尺度結(jié)構(gòu)形成等現(xiàn)象，通過比較觀測結(jié)果與理論模型的差異，間接推斷暗物質(zhì)的存在和分布。LHC實(shí)驗(yàn)在歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）上，通過高能物理實(shí)驗(yàn)尋找暗物質(zhì)粒子的蹤跡。LHC可以模擬宇宙大爆炸后的環(huán)境，有助于研究暗物質(zhì)粒子的性質(zhì)。未來對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃建造更大規(guī)模、更高能量的對(duì)撞機(jī)，如未來圓形對(duì)撞機(jī)（FCC）等，以更深入地研究暗物質(zhì)和其他未解之謎。這些實(shí)驗(yàn)將提供更精確的數(shù)據(jù)和更深入的理論理解，有助于揭示暗物質(zhì)的秘密。大型對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)宇宙學(xué)觀測與驗(yàn)證03觀測發(fā)現(xiàn)，星系邊緣的恒星旋轉(zhuǎn)速度遠(yuǎn)超預(yù)期，暗示存在大量不可見物質(zhì)產(chǎn)生的額外引力。星系團(tuán)內(nèi)星系的運(yùn)動(dòng)速度表明，星系團(tuán)的質(zhì)量遠(yuǎn)大于發(fā)光物質(zhì)的質(zhì)量，進(jìn)一步支持黑暗物質(zhì)的存在。星系旋轉(zhuǎn)曲線異常星系團(tuán)動(dòng)力學(xué)星系旋轉(zhuǎn)速度分布異常宇宙大尺度結(jié)構(gòu)中，星系沿著巨大的絲狀結(jié)構(gòu)分布，這些結(jié)構(gòu)的形成需要額外的引力作用，暗物質(zhì)可能是其重要成因。大尺度絲狀結(jié)構(gòu)觀測到的引力透鏡效應(yīng)表明，宇宙中存在著大量不可見物質(zhì)，它們通過彎曲光線的方式被間接探測到。引力透鏡效應(yīng)大尺度結(jié)構(gòu)形成各向異性宇宙微波背景輻射的觀測結(jié)果顯示出微小的溫度漲落，這些漲落為暗物質(zhì)的存在提供了間接證據(jù)。重子聲學(xué)振蕩重子聲學(xué)振蕩是一種在宇宙早期產(chǎn)生的聲波振蕩，其觀測結(jié)果可用于推斷暗物質(zhì)在宇宙中的分布。微波背景輻射觀測粒子物理模型與理論預(yù)測04描述基本粒子和它們之間相互作用的一個(gè)理論框架，包括夸克、輕子、規(guī)范玻色子等基本粒子。標(biāo)準(zhǔn)模型為了解決標(biāo)準(zhǔn)模型中的一些問題，如暗物質(zhì)、中微子質(zhì)量等，物理學(xué)家提出了一系列擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)模型的理論，如超對(duì)稱模型、額外維度模型等。標(biāo)準(zhǔn)模型擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)模型及其擴(kuò)展超對(duì)稱性與暗物質(zhì)候選粒子超對(duì)稱性一種對(duì)稱性理論，預(yù)測了每個(gè)已知粒子都存在一個(gè)超對(duì)稱伙伴粒子，這些超對(duì)稱伙伴粒子可能是暗物質(zhì)的候選粒子。暗物質(zhì)候選粒子在超對(duì)稱模型中，最輕的超對(duì)稱粒子（LSP）通常是穩(wěn)定的，因此被認(rèn)為是暗物質(zhì)的候選粒子。此外，軸子、弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP）等也被認(rèn)為是暗物質(zhì)的候選粒子。除了超對(duì)稱模型外，還有其他一些理論模型試圖解釋暗物質(zhì)的存在，如小質(zhì)量暗物質(zhì)模型、自相互作用暗物質(zhì)模型等。其他理論模型這些理論模型預(yù)測了暗物質(zhì)的一些性質(zhì)，如質(zhì)量、自相互作用強(qiáng)度、與普通物質(zhì)的相互作用方式等。這些預(yù)測為實(shí)驗(yàn)探測暗物質(zhì)提供了理論指導(dǎo)。理論預(yù)測其他理論模型及預(yù)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析05XENONnT實(shí)驗(yàn)該實(shí)驗(yàn)在2024年取得了重要突破，通過升級(jí)探測器，提高了對(duì)弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMPs）的探測靈敏度。經(jīng)過長時(shí)間的數(shù)據(jù)收集和分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在探測器的能量范圍內(nèi)沒有明確的黑暗物質(zhì)粒子信號(hào)。LUX-ZEPLIN實(shí)驗(yàn)LUX-ZEPLIN實(shí)驗(yàn)是另一個(gè)重要的直接探測實(shí)驗(yàn)，它采用了液態(tài)氙探測器，具有極低的背景噪聲和較高的探測效率。經(jīng)過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，該實(shí)驗(yàn)也沒有發(fā)現(xiàn)明確的黑暗物質(zhì)粒子信號(hào)。直接探測實(shí)驗(yàn)結(jié)果VSFermi-LAT衛(wèi)星在觀測高能伽馬射線方面取得了重要成果。通過對(duì)多個(gè)疑似黑暗物質(zhì)湮滅或衰變產(chǎn)生的高能伽馬射線源進(jìn)行長期觀測和分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這些源的性質(zhì)與已知的天體物理過程相符，沒有明確的證據(jù)表明它們與黑暗物質(zhì)有關(guān)。AMS-02實(shí)驗(yàn)AMS-02實(shí)驗(yàn)在國際空間站上對(duì)宇宙線粒子進(jìn)行了精確測量。通過對(duì)大量數(shù)據(jù)的分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明宇宙線中正反物質(zhì)的不對(duì)稱性與標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)期相符，沒有明確的證據(jù)表明存在與黑暗物質(zhì)相關(guān)的新的物理過程。Fermi-LAT觀測間接探測實(shí)驗(yàn)結(jié)果大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）在尋找新的基本粒子和探索新物理方面取得了重要進(jìn)展。通過對(duì)撞機(jī)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明標(biāo)準(zhǔn)模型在描述已知粒子的相互作用方面非常成功，但沒有發(fā)現(xiàn)與黑暗物質(zhì)直接相關(guān)的新粒子或新現(xiàn)象。為了更深入地探索黑暗物質(zhì)的本質(zhì)，未來的對(duì)撞機(jī)計(jì)劃將繼續(xù)提高能量和探測精度。例如，未來環(huán)形對(duì)撞機(jī)（FCC）和超級(jí)質(zhì)子對(duì)撞機(jī)（SPPC）等計(jì)劃將有望為我們揭示更多關(guān)于黑暗物質(zhì)的秘密。LHC實(shí)驗(yàn)未來對(duì)撞機(jī)計(jì)劃對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果未來展望與挑戰(zhàn)06提高能量和亮度，以更精確地研究暗物質(zhì)粒子的性質(zhì)。大型對(duì)撞機(jī)直接探測實(shí)驗(yàn)間接探測實(shí)驗(yàn)發(fā)展高靈敏度、低背景的探測器技術(shù)，以降低暗物質(zhì)粒子與普通物質(zhì)相互作用的探測閾值。利用高能天體觀測和宇宙線探測等手段，尋找暗物質(zhì)粒子湮滅或衰變的產(chǎn)物。030201下一代探測技術(shù)發(fā)展通過引力波天文臺(tái)探測暗物質(zhì)粒子聚集產(chǎn)生的引力波信號(hào)。引力波探測利用中微子探測器研究暗物質(zhì)粒子與中微子的相互作用。中微子探測通過多波段電磁觀測研究暗物質(zhì)對(duì)星系和宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的影響。電磁觀測多信使天文學(xué)在暗物質(zhì)研究中的應(yīng)用03社會(huì)科學(xué)在科普和公眾參與中的作用