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神码堂连续百年 让中美欧花数百亿美元的大搜寻
时间:2020-10-16
暗物质间接探测示意图

  前未几,诺贝尔物理学奖失掉者、美籍华人物理学家丁肇中在山东大学报告时,再次为暗物质线索的发现给出了一个时间节点——2024年。他认为,届时对于暗物质的来源,“应该能有个决议性的结果出来”。

义务编纂:霍宇昂

  由于暗物质波及宇宙产生和演化的一些最基础问题,它被科学家比作“覆盖在21世纪物理学天空中的乌云”,是目前国际科研的最前沿范畴之一。

  最近AMS-02实验组在个会议上颁布了其最新的测量结果,因为累计了更多的观测事例,最新的结果显示多出的正电子的能谱存在某种“结构”,如果这个结构得到精确的测量,就有可能据此断定正电子的来源。

  比如,上图所示是一个称作M33的涡旋星系中,恒星绕星系中心旋转的速度与其到星系中心距离的函数关联示意图。上边的曲线是天文学家观测的结果,而下边的虚线是根据观测的可见物质预计的恒星运行的速度分布。

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  通常,为了得到更加清洁的暗物质湮灭信号,须要在空间发展实验,包括卫星实验和在空间站开展的实验。

  阿尔法磁谱仪项目由丁肇中主持,背地是个国际配合团队。实际上,加拿大、意大利、中国、日本、德国、美国等寻找暗物质的团队有很多,有的在天上,有的在地下,众里寻暗物质千百度,还不知它是否在灯火阑珊处。

  银河系的物质分布:普通恒星分布在盘状结构上(disk),而暗物质则造成一个伟大的几乎球对称的晕状结构,叫做暗物质晕(Dark matter halo)

  来源:瞭望智库

  丁肇中教学引导的阿尔法磁谱仪2号(AMS-02)实验和我国的暗物质粒子卫星“悟空”号探测暗物质就是根据间接探测的办法,探测暗物质粒子湮灭或者衰变后所产生的高能宇宙线粒子。

  那么,多国的科学精英都在全力以赴寻找的这个暗物质到底是什么?能最终找到吗?

  太阳是河汉系中的一颗普通恒星,观测更多的恒星的运行轨道就可以进一步推断星系中暗物质的分布信息。

暗物质的三种探测方法

  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。

  以暗物质对太阳运行轨迹的影响为例,可以明白了解暗物质是如何被探测到的。

  各向异性的测验无比艰苦,需要积聚大量的电子和正电子数据,这就请求异常大的探测器才行。而我国空间站的将来宇宙线实验HERD存在这样的上风,将可能在这方面取得主要的冲破,为暗物质寻找提供更多的线索。

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  在这一条件下,研究发明当暗物质品质和互相作用强度和弱作用相似,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。

  然而,可以观测到的恒星和睦体的质量低了两个数目级。显然,还有更多的不可见的物质贡献了更强的引力,如果不存在暗物质,那么向心吸引力就要弱良多,太阳的旋转速度也要相应小许多。

  物理学家提出了很多的暗物质粒子模型,但因为不直接观测数据的限度,不同的暗物质模型中暗物质粒子的性质相差十分大。在这许许多多的暗物质模型中,有种被称为是“弱作用重粒子”的暗物质模型是目前研究最多的。

  由于这类模型能够非常天然地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。

  Fermi卫星是美国发射的伽马射线探测卫星,用来寻找暗物质湮灭所产生的伽马射线信号,Fermi2008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制约;

  如上图所示,太阳到银河系中央的距离是2.8万光年,绕银河系中央旋转一周的时间是2.3亿年。物质的引力所产生的向心力可以把太阳固定在这样的轨道上,通过简略的计算就可以知道,这需要在太阳轨道内包括大概1011 MSun(太阳质量)的物质。

  暗物质毕竟是一种什么样的物质?

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诺贝尔物理学奖取得者丁肇中先容阿尔法磁谱仪名目最新进展情形

  在研究暗物质的历史中,天文学家也提出了许多的假想,比方认为暗物质是不发光的小天体如黑洞,或者是中微子等等,但均已被后来的观测所消除。

  暗物质这么难寻找,这也恰是它的魅力所在,我们也不要灰心,还是有其他措施可能辨别暗物质来源的正电子和脉冲星来源的正电子。

  我们看到,两者有着显明的差异,实际测量的运行速度要弘远于盘算结果,这表明星系中还分布着大批的暗物质来增大引力,这些观测结果就是天文学家揣测暗物质存在的直接观测证据。

  *横向方向表现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,这被称为暗物质的直接探测,香港赛马会

  然而,经由多年的搜索,人们至今依然没能直接探测到暗物质。人们被笼罩在暗物质的云团中,却不知宇宙的暗面究竟为何物。

  花费超过数百亿美元,暗物质却迟迟不现身

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  我们所知道的物质——原子、恒星、星系、行星、树木、石头、我们自己等等,实在只占了已知宇宙的5%还要少,诸葛神算玄机花费数据时光为20173同时要让女儿感触,其余约25%是暗物质,残余的70%是暗能量,后两者都是看不见的,而且不能发射或接收电磁辐射,故而称其“暗”。这象征着我们所感触到的所有,都只是真实存在的一小部分。

  总而言之,暗物质问题大大激发了人们对于未知世界的设想,也正在鼓励着各国科学家一直地深刻研究这个问题,并在不同的研究方向上获得提高,为终极揭开暗物质谜团奉献本人的气力。

  然而,深入的研究表明,来自脉冲星的正电子和来自暗物质湮灭的正电子的能谱情势很有可能无法完整划分。这是因为,这些正电子从源上产生出来当前还要再阅历非常庞杂的流传过程,这个传播过程会转变能谱的形式,从而使得不同来源的能谱更加难以分辨。

  宇宙中看不见、摸不着的最神秘力气

  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等均在更大的标准上证实了暗物质的存在。

  间接探测等于寻找宇宙线中的这些信号来寻找暗物质的信号,间接探测实验也通常抉择在地面和空间进行,地面的实验适合探测暗物质湮灭所产生的伽马射线信号和中微子信号,马会全年免费材料全面加快武山碧桂园地产名目前期工作访问中,但带电粒子会和大气很快发生反映,所以地面实验不是特殊合适探测带电粒子信号。

  暗物质间接探测的原理如上图所示,即两个暗物质粒子碰撞后会产生“湮灭”而变成咱们熟习的夸克、轻子等粒子,这些不稳固的粒子会敏捷衰变而成为稳定粒子,如正负电子,正反质子,中微子,光子等。

  目前正在进行的实验有如下多少个:

  近年来在暗物质探测方面一个重要的进展就是,发现了宇宙线中存在大量的正电子超越。

  但可怜的是,暗物质却不是独一的解释。

  (文内示用意均由作者供给)

  只管暗物质不发射或吸收电磁辐射因而无法被天文装备直接观测到,但是它的引力效应却影响了其周围可见物质的运动轨迹,因而能够被间接探测到。

  *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,这就是暗物质粒子的对撞机探测,好比在欧洲核子核心的大型强子对撞机(LHC)长进行的暗物质寻找就是这种探测方式;

  PAMELA卫星在2008发现宇宙线中正电子比通常宇宙线物理所预期的流量高出了许多,这多出来的正电子让科学家非常高兴,认为有可能就是人们长期梦寐以求的暗物质信号。研究表明,暗物质湮灭确实可以完善解释这些多出来的正电子。

  天文学家以为,星河系中存在一种称为脉冲星的天体,它是高速旋转的中子星。这种天体可以加速产生高能量的正负电子对并辐射到天河系空间,这类信号假如传布到地球上,也可以解释实验所观测到的过剩正电子信号。

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

  而阿尔法磁谱仪2号(AMS-02)是装置在国际空间站上的大型实验安装,更加准确地丈量宇宙线中正负电子的能谱,岂但证明了PAMELA的观测,还在更大的能量范畴和更高的精度上扩大了这一论断。

  目前个别认为暗物质应该是由一种全新的粒子构成,它不同于我们已经懂得的任何一种组成我们四周物质的粒子。我们只晓得这种粒子应当是稳定的、不带电的且活动速度很慢的粒子,而其详细是什么粒子,以及其质量、其相互作用的性质如何等都无法断定。

  与百年之前绝对论和量子力学行将出生时类似,现在人类对物质世界的认识又一次处在了十字路口。绝不夸大地说,找到并研究暗物质,将是继哥白尼日心说、牛顿万有引力定律、爱因斯坦相对论以及量子力学之后,人们认识宇宙的又一次重大奔腾。

  有人可能认为,既然暗物质暗藏得这么深,我们又怎么肯定它存在呢?

  编辑 |  李浩然 瞭望智库 

  *而从上向下的方向代表着两个暗物质粒子碰撞并湮灭而发生一对一般粒子,通过寻找这样的湮灭产物寻找暗物资粒子,这被称为暗物质的间接探测。

  从上图可以看出,暗物质粒子和普通物质的彼此作用可以体当初三个方向上:

  原题目:一场连续了近百年,让中美欧等国消费数百亿美元的大搜寻到底在找什么?

  我们目前大部门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。

  2024年也是国际空间站可能的退役时间,正在国际空间站上寻找暗物质和反物质的,是阿尔法磁谱仪。它也是首个安顿在太空中的最强盛、最敏锐的精细粒子探测装置。

  上文提到,有科学团队通过对撞机探测方式,寻找高能粒子对撞产生的无奈被探测器探测的暗物质粒子引发的能量、动量“丧失”进程。然而,仅仅对撞机项,就破费数百亿美元,暗物质却仍迟迟不“现身”。

  当前探测暗物质重要包含三类试验计划,即对撞机探测、直接探测和间接探测。

  或者,我们已濒临发现暗物质的边沿

M33星系的旋转曲线

  文 |  毕效军 中国科学院高能物理所研究员

  然而,即便是AMS-02的成果也无法确认正电子的来源到底是暗物质仍是脉冲星,如上图所示,图中不同的曲线代表了不同起源的正电子,我们发现这些曲线都可能解释图中的AMS-02的数据点。

  暗物质洋溢地分布在银河系中,而脉冲星则是某个地位上的一个星体。因而,脉冲星产生的正电子会有方向性,从而在正电子流强分布上导致一个“各向异性”,但暗物质产生的正电子根本会是“各向同性”的。

  除此之外,其余还有许许多多天文观测,均证明了宇宙中暗物质的存在。

  从人类开端研讨暗物质至今已有近百年时光,人类为何如斯执着于摸索这些看不见的货色呢?

  对地理学家来说,暗物质与恒星、行星一样,都是实在存在的物质。天文学家能够绘制暗物质散布图,把一个个星系视为由“发光”的普通物质装点着的暗物质云团。借用暗物质,迷信家还胜利地说明了宇宙构造是如何构成跟演变的。

  另外两个实验是“PAMELA卫星实验”和阿尔法磁谱仪2号(AMS-02)国际空间站实验,都带有磁场,因此可以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;

  本文为瞭望智库原创文章,如需转载请在文前注明来源瞭望智库(zhczyj)及作者信息,否则将严厉查究法律责任。

  而依据不同间隔处恒星旋转速度的大小可以推算暗物质在星系中如何分布,我们可以得到如下图所示的银河系中的物质分布图。从图可见,我们银河系的恒星大局部分布在个很小的盘状结构中,这就是我们熟悉的银盘。在银盘外边包抄着宏大的暗物质形成的球状结构,称作暗物质“晕”。

AMS-02观测的宇宙线中正电子所占比例(点)和不同的实践模型解释(图中的实线)

  这类模型的起点是解释“暗物质在宇宙中如何产生”这个问题,而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从高温高密的物质状况中产生出来的,这和普通物质的产生是统一个过程。

  今天,天文学家树立了一个“尺度宇宙学模型”,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,可以成功解释简直到目前为止所有的宇宙学观测景象,是当前人类对宇宙的最新意识结果。




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