暗物质粒子是什么,暗物质粒子被发现了?

牧夫天文 2017-11-13 12:01:11 阅读:

近来,一篇关于暗物质粒子可能被发现的报道引起了许多科学爱好者的注意。事实上,这个报道发生在今年七月份,而目前尚无更多相关的进展,相关的论文引用量至今为0,阅读量也少得可怜,也就是说,这是否是科学家们追寻已久的暗物质,目前科学界尚无定论,而且几乎都持消极态度。但是这并不妨碍我们学一些有关暗物质的东西。

暗物质何处寻

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暗物质简介

为了便于第一次阅读有关暗物质文章的读者理解,本文的第一部分将沿用笔者的《国际暗物质日》一文,已经读过这篇文章的读者可以直接跳过或者复习一遍。

暗物质(Dark Matter),顾名思义,是一种看不见摸不到的物质。它是一种与我们所熟知的重子、光子等组成的物质不同的物质。它不参与电磁相互作用,因此无法利用光学方法直接观测。根据其运动速度分类,暗物质可分为热暗物质、温暗物质和冷暗物质。热暗物质指的是达到相对论速度的那些暗物质。一般说的暗物质,指的是冷暗物质。

冷暗物质的存在有几个观测证据,其中最主要的一个就是星系旋转曲线观测,即发现了星系旋转曲线,和开普勒第三定律,或者说和牛顿万有引力所预言的不一致。1978年,著名女天文学家鲁宾发表了重要的论文,发表了她研究过的10个星系中的7个的旋转速率。如果可见物质是唯一的物质的话,这个曲线将向右侧急转直下。然而,扁平的曲线暗示着如果我们对引力的理解是正确的,星系中一定有看不见的物质存在。

而另一个重要的观测证据则是子弹星系。在星系的旋转曲线的观测成果刚出来的时候,曾经有一群科学家试图修正牛顿引力(MOND)以解释这种反常的现象,然而子弹星系的观测给MOND理论头上泼了盆冷。当然,现在MOND理论又以另一种方式复活了,限于篇幅在此暂时不提。

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暗物质存在的观测证据,与鲁宾的论文中的曲线类似

按照宇宙大爆炸模型,如果没有暗物质,那么星系会形成得很慢。因为暗物质相当于给星系提供一个支架,即暗物质晕,没有支架怎么盖房子?按照大爆炸模型,重子脱耦是在宇宙大爆炸38万年之后,这个时间太晚了,如果只有重子物质的话,那么现在星系还没形成呢,也不会有我们的地球,更不会有人类了。

那么,假设暗物质参与的短程力相互作用的强度和弱相互作用很类似,或者干脆就是弱相互作用,而且暗物质粒子的质量大约是100GeV到1TeV的话,那么恰好和现在普朗克卫星的数据一致。这就是常说的WIMP模型。因此,科学家们就从这一点出发,来设计实验探测暗物质。

暗物质探测的三种方法分别是加速器、直接探测和间接探测。间接探测指的是,在空间中通过探测暗物质粒子衰变或湮灭产生的稳定粒子来寻找和研究暗物质粒子。我们周围到处都有暗物质,因此也能做直接探测。而地下实验室是开展粒子物理学、天体物理学及宇宙学等领域一些重大基础性前沿课题的重要研究场所,在四川锦屏山下,清华大学和上海交通大学等研究机构的学者和工程师们正在努力探索暗物质的秘密。

而对撞机探测则是,让已知的粒子对撞,如果真撞出来和暗物质的模型所预言的一样的信号,那就认为是探测到暗物质了。不过对撞机现在主要的任务还是寻找超对称粒子。

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如果暗物质能看到

有关本次暗物质粒子的发现

此次暗物质粒子的研究对象是类轴子粒子。所谓的轴子(axion),是物理学家们构建的又一个暗物质理论模型,即一种超出标准模型的基本粒子。当然,它和上文提到的WIMP模型一样,属于冷暗物质。

轴子是为了解决量子色动力学(QCD)中的强CP问题而提出的。量子色动力学是研究强相互作用,即原子核内核子——质子和中子的结合的相互作用的一种理论。我们都知道,质子、电子等粒子带有电荷,但是你知道夸克、胶子等粒子带有色荷吗?当然这并非是真正的颜色,而是一种方便的叫法,就好比公孙龙名字叫龙,但他并不是真正的龙。而色荷之所以这样命名,据说是科学家们在吃冰淇淋球的时候想出的。

而强CP问题,或者说CP破坏,指的是电荷宇称不守恒问题。轴子便是为了解决这个问题而提出的。但是目前对轴子的研究尚无定论,轴子甚至曾一度被科学家们判死刑。

而这个相关报告的研究者们分析了大量伽马射线源,得到了很优美的拟合图形。然而优美归优美,科学最后还是要靠事实说话。暗物质之谜究竟何日揭晓?革命尚未成功,同志仍需努力啊。

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该报告的PPT截图

粒子天体物理

暗物质、暗能量、宇宙射线,这些不同的研究领域可以归结到一个大的家庭中——粒子天体物理。

乍一听,这个词似乎很难以理解——最小的粒子和最大的天体竟然毫无违和感地放在了一起。事实上,粒子天体物理,或者叫天体粒子物理,顾名思义,是粒子物理学的一个分支,研究基本粒子与天体物理学和宇宙学的关系。它也可以看做是粒子物理学、天文学、天体物理学、探测器物理学、相对论、固体物理学和宇宙学的交叉领域,是一个相对较年轻的研究领域。在中微子振荡的历史性发现的推动下,这一领域在过去的十年里在理论上和实验上都有了飞速的发展。

天体粒子物理学最初主要关注带电粒子,因为带电粒子最容易也最方便探测到。而目前,大部分的研究都涉及中性粒子,即中微子、光子、暗物质,甚至包括目前尚无踪迹的引力子。

新竹国立清华大学的物理学家耿朝强教授曾说,我们对于宇宙的认识,可谓“知道的很多,但了解的很少”。现代粒子物理发展数十年,它的研究领域已经超出了它的名字本身。从量子力学建立之后的萌芽阶段,到上世纪60年代70年代的粒子物理英雄时代,再到标准模型一统江湖,再到现在的超越标准模型时代,粒子物理一直是物理学界最有活力的研究领域之一。而我们对于宇宙的探索的终点,或许就在这些最小也最神秘的粒子上。

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