丁肇中团队宣布发现暗物质候选体存在证据

图纸:张方曼

核心阅读

□暗物质是一种特殊物质，可能是一种全新的粒子，而不是我们所知的不参与电磁相互作用的粒子。

□据估计，据我们所知，常规物质仅占宇宙的4%，暗物质和暗能量分别占23%和73%。

□揭开暗物质之谜将是继日心说、万有引力定律、相对论和量子力学之后，人们对自然规律认识的又一次重大飞跃。

在2月18日举行的美国科学进步协会年会上，由麻省理工学院的物理学家丁肇中领导的研究小组宣布，阿尔法磁谱仪已经发现了弱相互作用重粒子(WIMP)存在的证据，这是暗物质的候选粒子。丁肇中说，涉及暗物质的研究论文将在未来两到三周内发表，以阐述这项研究的进展。据报道，在丁肇中看来，研究结果是理解暗物质的重要一步，但它们不是最终答案。

无论阿尔法磁谱仪这次是否发现了暗物质，来自世界各地的科学家都希望关于暗物质起源的问题能够变得更加清晰。

23%的“未知”

人类已知的常规物质只占宇宙的4%，而未知区域的暗物质占23%

什么是暗物质？在回答这个问题之前，让我们回顾一下有趣的历史。

自从牛顿发现万有引力定律以来，人们一直试图用万有引力理论来解释太阳系中行星的运动规律。尽管万有引力的解释在开始时非常成功，但在解释天王星的运动时却不能获得令人满意的结果。天王星的运动规律显然不同于万有引力的预测。法国天文学家勒维烈和英国天文学家亚当斯推测天王星的异常可能不是由于万有引力定律，但太阳系中仍有一颗行星当时没有被发现。这颗行星的引力导致天王星偏离了它最初预期的轨道。根据他们的预测，这颗行星，海王星，是由J.G .加勒在1846年发现的。

“根据行星的异常运动来猜测另一颗未被发现的行星的存在，与我们今天对暗物质的理解非常相似。”中国科学院高能物理研究所研究员毕晓军说。

大约80年前，天文学家意外地发现一些星系团中的星系移动速度比预期的要快。这些发光物质产生的引力场(当时，人们还没有发现星系团中有大量的X射线气体，而星系团是星系团中普通物质的主体)根本无法束缚它们。因此，每个人都推测在这些星系团中应该有一种看不见的神秘物质，这种物质也是引力的一部分，并把星系拉在一起。

“虽然我们从未直接‘看到’这种物质在宇宙中的存在，但我们发现了它的引力效应对其他可见物质运动的影响，这就是我们断定这种物质存在于宇宙中的原因。”毕晓军说道。

在接下来的几十年里，各种天文观测间接地证明了这种物质的存在。

目前，人们普遍认为它们是一种特殊的物质，可能是一种不同于已知粒子(如质子、电子、中子等)的全新粒子。)不参与电磁相互作用。

“这种物质不发光，也就是说，它不发射电磁波，所以看不见。所以我们称之为暗物质。”中国科学院高能物理研究所研究员兼博士生导师张新民说:“暗物质和普通物质一样，有引力效应。这种引力效应使得天文学家能够在太空中发现暗物质，占宇宙的23%，另外73%是暗能量。然而，只有4%的“常规物质”构成了我们周围的世界。”

第一个问题

暗物质是现代物理学中最大的乌云。研究它有助于理解星系的演化和物质组成的规律。

尽管人们早就怀疑暗物质的存在，但暗物质粒子从未被清楚地探测到，因此暗物质的性质无法确定。

目前，寻找暗物质粒子，研究暗能量的物理本质，探索宇宙起源和演化的奥秘，将粒子物理学和宇宙学结合起来，已经成为21世纪天文学和物理学发展的一个重要趋势。世界各国都在集中人力、物力和财力来解决关键问题，并就这一重要的跨学科课题开展研究。

2004年8月，美国国家科学技术委员会公布了物理学和天文学发展战略，列出了新世纪需要解决的11个难题。第一和第二名分别是“什么是暗物质”和“暗能量的本质是什么”。

那么，探测和研究暗物质的意义是什么？

诺贝尔物理学奖获得者李政道教授多次指出:“暗物质是20世纪末21世纪初笼罩在现代物理学上空的最大乌云。这将预示着物理学的另一场革命。”

事实上，许多物理学家和天文学家开始有这样的预感:今天的物理学状况与19世纪末20世纪初相对论和量子理论诞生时非常相似。

“在经历了一百年的历史轮回之后，人类对物质世界的理解再次处于十字路口。暗物质是一个关键的突破。因此，可以说，揭开暗物质之谜将是继哥白尼的日心说、牛顿的万有引力定律、爱因斯坦的相对论和量子力学之后，在理解自然规律方面的又一次重大飞跃。”国家天文台的研究员秦波说。

对此，张新民给出了进一步的解释。

“对于宇宙中4%的物质，即所谓的普通物质，我们已经建立了一套非常完整的理论，即所谓的标准模型来描述它。然而，标准模型不能描述宇宙中的暗物质现象。这表明我们仍然需要进一步深入研究物质的基本组成和结构。然而，暗物质是目前突破标准模型的最确定的观测现象。理解暗物质的本质可能会引导我们进入更深更细的基本粒子结构，以及更深更基本的物质组成规律。另一方面，理解暗物质的性质对于我们理解宇宙演化过程中星系和星系团等大尺度结果的形成也具有重要意义。

捕捉“220公里/秒”

暗物质以220公里/秒的高速运动，它与普通物质的相互作用很弱，很难探测到。要捕捉它，你需要“从天堂到地球”

暗物质之所以“黑暗”，不仅因为它不发光，还因为它太难以捉摸。

“每天可能有数万亿的暗物质高速穿过你的身体，不留任何痕迹，让你完全感受到它。”张新民做了一个比较。56发半自动步枪子弹的射出速度是每秒700米，而这些暗物质粒子的移动速度是每秒220公里，是前者的300倍。

如何“捕捉”暗物质？

首先，科学家们对这种物质的可能形式做了许多理论上的推测，例如，惰性中微子暖暗物质、引力子暖暗物质、轴子冷暗物质等。

张新民说:“目前，被粒子物理学家研究得最多和青睐的暗物质模型是所谓的弱相互作用重粒子。这种粒子具有可探测性，主要是因为它与普通物质的相互作用很弱。相比之下，对于许多其他暗物质模型来说，因为它们与普通物质的相互作用较弱，所以在目前的实验水平上不太可能检测到它们。

然后，科学家们提出了许多实际检测的实验方法。

最初的方法是天文观测，但它没有回答“什么是暗物质？”后来，人们采用了间接检测和直接检测。前者用于探测暗物质碰撞产生的普通物质粒子信号，通常由地面或太空望远镜探测到。后者是原子核和暗物质碰撞产生的信号。在地面上，由于大量的宇宙射线，这些信号会干扰直接探测并影响其识别能力。因此，地下实验室可以帮助探测器“阻挡”干扰，让它“平静下来”工作。

“丁肇中小组使用的阿尔法磁谱仪2 (AMS-02)当然是目前最灵敏、最复杂和最昂贵的暗物质探测装置，代表了当今科学实验的最高技术手段。在此之前，我们已经在不同的实验中看到了一些“异常”迹象。人们怀疑这些是暗物质信号。然而，由于实验的灵敏度不够，这些信号不能被确认为暗物质信号。”毕晓军说道。

除了阿尔法磁谱仪，其他实验也在进行中，如瑞士大型强子对撞机进行的实验和中国四川锦屏深处的暗物质探测器实验。他们可能在不久的将来有新的发现。

“世界各地的暗物质探测实验正在蓬勃发展。未来10到20年将是暗物质探测的黄金时代，肯定会有突破。”秦伯说。(原标题:暗物质，我们周围看不见的“居民”)