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(zhì)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(jīng)形成。比如,對于天王星運動異常的解釋導(dǎo)致法國天文學(xué)家勒威耶(UrbainLeVerrier)和英國天文學(xué)家J.C.亞當(dāng)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(guān)于暗物質(zhì)的認識過程。目前從星系到宇宙學(xué)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(zhì),即暗物質(zhì),它們通過引力效應(yīng)影響了可見物體的運動?，F(xiàn)代意義上的暗物質(zhì)概念最早是由瑞士天文學(xué)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(jù)所測得的星系速度彌散并應(yīng)用維理定理得到了后發(fā)星系團的質(zhì)光比,發(fā)現(xiàn)其比太陽的質(zhì)光比要大400倍左右。今天,天文學(xué)家有許多辦法可以測定星系團的質(zhì)量,如通過弱引力透鏡效應(yīng),通過團內(nèi)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(xué)家V魯賓(V.Rubin)通過對旋渦星系的詳細觀測,使得“暗物質(zhì)”這個概念得到了科學(xué)界的認可。漩渦星系旋轉(zhuǎn)曲線的測量是暗物質(zhì)存在最直接的證據(jù)。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(zhì)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(zhì)存在的直接證據(jù),這是因為可見的重子物質(zhì)之間由于摩擦力而互相黏滯,但暗物質(zhì)粒子可以相互通過,從而造成星系團中暗物質(zhì)和重子熱氣體在空間上分離成兩團。這個結(jié)果引起了學(xué)界的廣泛關(guān)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(jù)精確確定宇宙中暗物質(zhì)的總量。目前擬合的結(jié)果給出暗物質(zhì)在整個宇宙中所占的組分大約是22%?？傊?自從暗物質(zhì)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(zhì)存在的證據(jù)。目前,暗物質(zhì)的存在已經(jīng)被人們普遍接受,并且成為研究宇宙大尺度結(jié)構(gòu)形成過程的必不可少的要素。暗物質(zhì)的存在是通過天文觀測發(fā)現(xiàn)的,然而標(biāo)準模型中不包含能解釋暗物質(zhì)的基本粒子。暗物質(zhì)粒子探測和研究很可能導(dǎo)致物理學(xué)產(chǎn)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(quán)威物理學(xué)家和天文學(xué)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(xué)問題,“什么是暗物質(zhì)”列在第一位。報告同時建議美國政府研究機構(gòu)加強協(xié)調(diào)、集中資源為這些難題尋找答案。目前暗物質(zhì)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(zhì)探測的黃金時代。2物質(zhì)直接探測由于暗物質(zhì)粒子不與光作用,也不會發(fā)光,普通的光學(xué)觀測無法發(fā)現(xiàn)它的蹤跡。為了了解暗物質(zhì)的本質(zhì),目前的探測方法大致可以總結(jié)為如下三種:第一種方法是在加速器上將暗物質(zhì)粒子“創(chuàng)造”出來,并研究其物理特性。由于暗物質(zhì)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(chǎn)生。雖然暗物質(zhì)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(zhì)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(zhì)的某些性質(zhì)。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(zhì)粒子。第二種方法是直接探測法。該方法是直接探測暗物質(zhì)粒子和原子核碰撞所產(chǎn)生的信號。由于發(fā)生碰撞的概率很小,產(chǎn)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(zhì)直接探測實驗是目前尋找暗物質(zhì)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(zhì)的間接探測法。間接法是觀測暗物質(zhì)粒子衰變或相互作用后產(chǎn)生的穩(wěn)定粒子如伽馬射線、正電子、反質(zhì)子、中微子等。根據(jù)目前的理論模型,暗物質(zhì)粒子衰變或相互作用后可能會產(chǎn)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(zhì)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(shù)助力實驗暗物質(zhì)粒子探測是目前科學(xué)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(zhì)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(shè)計目標(biāo)是對撞兩個反向回旋的質(zhì)子束流,質(zhì)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(jīng)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(zhì)子束流對撞試驗。要在加速器上進行暗物質(zhì)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(zhì)粒子的跡象,取得突破必須要能量更高的加速器。根據(jù)我國的經(jīng)濟實力,短期內(nèi)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(zhì)粒子產(chǎn)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(diào)制現(xiàn)象,該現(xiàn)象可以解釋地球繞太陽公轉(zhuǎn)的原因:地球與暗物質(zhì)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(zhì)粒子流強,而在每年的12月份可能通過一個較低的暗物質(zhì)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(zhì)粒子有關(guān)。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(zhì)被用來阻止除了暗物質(zhì)之外的正常微粒到達探測器,這樣可能與暗物質(zhì)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(zhì),兩個信號還是太少了,經(jīng)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(zhì)性的暗物質(zhì)信號。目前國際上大約有幾十個科學(xué)小組在設(shè)計實驗以期發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)接近普通物質(zhì)原子的那一刻產(chǎn)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(jié)果是正確的,XENON100試驗應(yīng)該發(fā)現(xiàn)多個暗物質(zhì)粒子事件,除非暗物質(zhì)的性質(zhì)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(jié)果,沒有發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子存在的跡象。這說明暗物質(zhì)比很多人以前認為的更難被發(fā)現(xiàn)。地下暗物質(zhì)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(shù)。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(shù),起步階段的實驗可以采用國際先進技術(shù)方案。當(dāng)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(guān)鍵還是在掌握了國際先進探測器技術(shù)后,設(shè)計出比國外更靈敏的實驗。最新空間間接探測試驗結(jié)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?qū)嶒灥取?009年3月FERMI衛(wèi)星公布其一年半的觀測數(shù)據(jù),經(jīng)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(zhì)粒子有關(guān)。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(jù)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(zhì)子觀測方面,PAMELA上天3年,觀測到的反質(zhì)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(dāng)然,目前的觀測結(jié)果由于精度不夠,下結(jié)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(zhì)粒子的觀測由于其重大的科學(xué)意義,必將是今后的科研熱點。觀測暗物質(zhì)粒子產(chǎn)生的次級產(chǎn)物由于其信號特征明顯成為“AMS”“FERMI”等大科學(xué)工程的主要科學(xué)目標(biāo)。4高能電子探測的原理暗物質(zhì)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(nèi)取得突破,因而應(yīng)該作為我國暗物質(zhì)探測的優(yōu)先選擇?？臻g探測的關(guān)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(jīng)費要超過20億美元,還需采用大量先進探測器技術(shù),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(guān)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(zhì)的“源”,所以探測暗物質(zhì)粒子湮滅產(chǎn)生的伽馬射線是非常重要的探測暗物質(zhì)粒子的手段。尤其是根據(jù)目前的理論模型,暗物質(zhì)粒子湮滅后可能產(chǎn)生伽馬射線譜線,這將作為暗物質(zhì)粒子產(chǎn)生的最確切的信號。另外暗物質(zhì)粒子理論模型表明:暗物質(zhì)粒子衰變或湮滅時,會在宇宙電子或者正電子能譜中產(chǎn)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(zhì)粒子。從目前已有的觀測結(jié)果看,高分辨觀測高能伽馬射線和電子是探測暗物質(zhì)粒子可能的突破點。空間觀測高能電子和伽馬射線的關(guān)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(zhì)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(guān)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(shù)。首先從物理特性上看,電子是輕子,電荷為-1,靜止質(zhì)量為511keV,質(zhì)子是強子,電荷為+1,靜止質(zhì)量為938.27MeV。電子探測器設(shè)計主要是探測這些物理特性,區(qū)分電子和質(zhì)子。目前常用的探測器技術(shù)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(lǐng)會大大降低,能夠探測能量在TeV以上電子的探測器技術(shù)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(lǐng)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(jīng)驗看,高能量分辨量能器的粒子區(qū)分本領(lǐng)主要依靠探測器厚度,厚度越厚,區(qū)分本領(lǐng)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(nèi),設(shè)計出一個低本底高分辨的探測器是一個重要研究內(nèi)容。從上邊可以看出,暗物質(zhì)粒子空間探測是一件十分復(fù)雜的事情。科學(xué)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(shù)。采用大量的先進技術(shù)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(shù)指標(biāo)之間的矛盾是一個重要課題。5國內(nèi)關(guān)于物質(zhì)粒子探測的研究現(xiàn)狀暗物質(zhì)研究是天文學(xué),粒子物理、理論物理的交叉學(xué)科。國際上,美歐日等都將暗物質(zhì)探測列為21世紀重大科學(xué)研究的重點,國內(nèi)在最近中科院2050創(chuàng)新規(guī)劃路線圖中,將暗物質(zhì)課題列為科學(xué)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(nèi)都已經(jīng)具備了很好的基礎(chǔ)。國內(nèi)多個單位都正在開展地下和空間暗物質(zhì)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(zhì)粒子”為主題的香山科學(xué)會議,國內(nèi)外四十余位多學(xué)科跨領(lǐng)域的專家學(xué)者與會,圍繞暗物質(zhì)理論研究、暗物質(zhì)空間分布與天文觀測、暗物質(zhì)粒子空間觀測、高能電子和伽馬射線的空間觀測技術(shù)等中心議題進行深入討論。與會專家提出暗物質(zhì)存在已經(jīng)得到天文大尺度觀測的證認,可能導(dǎo)致現(xiàn)代物理學(xué)突破,國內(nèi)已有一定的研究基礎(chǔ),具備天時,地利,人和的良好條件,我國必須開展暗物質(zhì)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(zhì)的間接探測方面,國際上還是主要通過探測伽馬射