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季向东上海交通大学/马里兰大学普通物质暗物质的间接证据宇宙中暗物质的残留和粒子物理中的侯选对象怎样探测暗物质展望我们周围的万物(地下)都是由“普通”物质组成普通的物质是由原子和分子组成(19世纪化学)原子是由原子核和电子组成(20世纪初)原子核由质子中子组成(1930s)质子中子是由夸克胶子组成(1970s)原子光谱的研究表明,太阳,银河系,天上所有的星星都是由普通的物质组成的维里定理:在重力场中,平均来说,物体运动的势能是动能的2倍。1933年,加州理工学院的教授Zwicky研究Coma星系团中星系运动的动能。他发现星系的动能远远大于周边可观察到的物质能产生的势能。因此他,他提出“暗物质”的可能性根据他的计算,暗物质的质量至少是发光物质质量的300倍!1.星系结构1.星系转动曲线,2.引力透镜3.矮星系中的速度分布2.星系团结构1.引力透镜,速度分布,热气体(X-ray)3.宇宙背景辐射4.宇宙的大尺度机构在银河系里,所有的星星都绕银心转动根据牛顿的万有引力,太阳转动的速度和银河系的质量以及太阳离银心的距离直接相关根据这个公式,太阳的转动速度应是170公里/秒,但实际得到的速度是220公里/秒v(r)r在星系里,星星绕系心转动的速度和离系心的距离关系形成星系转动曲线95%质量来自暗物质!在光线通过引力场时,会发生偏折,通过偏折的大小,我们可以计算引力场的分布,因而能探测质量的分布StrongLensing(Tysonetal.)DarkMattercanextendasfaras200kpcandbeyond!根据宇宙学的标准模型,宇宙起源于130亿年前的一次大爆炸。自那以后,宇宙在不断膨胀和泠却。在大约30万年的时候,宇宙冷却到电子和原子核从等离子态形成原子,宇宙从此一片光明。那时形成的光就在宇宙中“准自由”传播,成为宇宙130亿年的“化石”:背景辐射(Dicke,Gamow,1946)。1965年,Penzias和Wilson(BellLab)无意中发现了宇宙背景辐射,其温度大约为3度。1978年物理诺贝尔奖。1990,J.Mather通过COBE卫星发现,CMB是非常完美的黑体辐射。在不同的方向上几乎是相同的!1992年,Smoot用COBE发现CMB在10-5发水平上有涨落。涨落可以用简单的暴涨模型来解释,但必须有23%的暗物质!背景辐射的涨落Mather和Smoot我们今天的宇宙是非常不均匀的。这个不均匀是通过宇宙早期的涨落和引力的不稳定演化而来。背景辐射的涨落暗物质很可能是一种粒子电中性的有很长的寿命无强相互作用CandidatesMACHOSPrimodialBlackHoles,MirrorMatterAxionsWIMPs,WIMPzillas弱电理论的自发对称破缺:Higgs粒子至今还没发现中微子是一种可能的选择,但中微子太轻必须有其他粒子的存在。新粒子!冷暗物质是质量较大的粒子,在星系形成时处在非相对论的运动状态。热暗物质是在星系形成时相对论运动的粒子(nuetrino,axionetc.)宇宙演化的数值模拟显示,暗物质是极可能是种冷的物质,因此它的质量应该比较大。在宇宙的早期,暗物质粒子和宇宙中的其它粒子处在热平衡状态。随着宇宙的冷却,暗物质粒子不断湮没,和宇宙中的其它粒子继续保持热平衡到了一定的时间,粒子密度过小,湮没的速度放慢,暗物质粒子遗留下来成为宇宙中的古迹。为了解释宇宙中暗物质的遗留量,其粒子的湮灭截面必须是~10-40cm2暗物粒子除了有引力相互作用外,很可能有弱相互作用!WIMPs:Weakly-InteractingMassiveParticles!暗物质粒子和弱电理论的自发对称破缺也很有关系!Higgs粒子之一超对称粒子中性超费米子?KK粒子额外维空间的激发大型加速器间接探测直接探测7TeV质子+7TeV反质子如果暗物质具弱相互作用,它们的质量小于3-5TeV,可以在LHC产生暗物质粒子在空间有可能湮灭,产生普通的物质,如正负电子对,夸克反夸克高能x-射线,gamma射线,高能中微子暗物质形成一个巨大的海洋,把银河系包围其中。我们的地球(探测器)是在暗物质海洋中一条行驶的“小船”。流动的暗物质粒子会有极小的概率碰撞到探测器的原子核上(1次/100公斤/天),引起它的弹跳,对暗物质的“直接探测”就是测量探测器中原子核由于暗物质的碰撞而引起的弹跳!半导体探测器(锗,硅)测量热量和电流特点:极低温(0.02K)、成本高,很难做大单晶体探测器(NaI,CsI)测量光特点:很难区分本底(噪音)惰性元素气液两相探测器(氙,氩)测量光和电特点:可以区分本底、低成本,可以做到“吨级”上海交大参与的国际实验种种迹象表明,我们正处在发现暗物质的边缘DarkMatterRush!成立于2009年初主要单位上海交通大学中科院上海应用物理研究所山东大学中国原子能科学研究院1)发现暗物质!2)排除超对称!首选:四川锦屏山锦屏二级水电站除4条引水隧洞(洞径约13米)外,为交通运行和进一步地质勘探建设了2条辅助洞。辅助洞全长各约17公里,相互平行中心距为35米,洞径约6米。最大埋深2400米(等效水深6000米).《创新2050:科学技术与中国的未来》(2009)(中国科学院战略研究系列报告)可能出现革命性突破的4个基本科学问题:暗物质、暗能量被列为第一报告指出:“揭开暗物质、暗能量之谜,将是人类认识宇宙的又一次重大飞跃,可能导致一场新的物理学革命。为此,需投资建设几项关键性的探测暗物质、暗能量的重大实验装置,包括地下和太空的粒子探测器和在南极建立大口径天文望远镜,以取得第一手实验数据,在国际竞争中处于主导地位”以后的几年里,在粒子物理宇宙学的领域极有可能有重大的发现暗物质是什么?电子的质量从哪里来?这两个发现极有可能相互关联!希望中国人在这些研究中能作出重要贡献
本文标题:为什么我们相信有暗物质并可在实验中观测?
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