暗物质

暗物质研究背景•在20世纪末，人们发现，物理学的天空中，漂浮着两朵新乌云，这就是暗物质和暗能量问题。这两个问题都无法用现在已知的物理学知识加以解释，通过对这两个问题的研究，是否能帮助我们找到比粒子物理标准模型更基本、更深刻的物理理论?是否能使我们认识宇宙的起源?由于这些原因，暗物质和暗能量问题已经成为现代物理学和天文学中最有吸引力的研究课题暗物质•学界轰动——什么是暗物质？看不见、摸不着、重如山？•由天文观测推断存在于宇宙中的不发光物质。•由不发光天体、晕物质、以及非重子中性粒子组成。•在宇宙学中，暗物质是指那些自身不发射电磁辐射，也不与电磁波相互作用的一种物质。暗物质存在形式已发现？？？•一经证实，意味着人类首次发现了暗物质存在的形式，将是物理学的重大突破。•暗物质被称为“世纪之谜”。它“霸占”了宇宙95%的地盘，却摸不到看不着，甚至让爱因斯坦都迷糊了，否认了它的存在。•令人兴奋的是，经过10年观测，紫金山天文台专家捕捉到了很可能是暗物质留下的“足迹”——高能电子，这可能是暗物质存在的一个有力证据。暗物质是否存在•既然“看不见”,我们又凭什么知道宇宙中存在这样的物质呢?•现代意义下的暗物质概念最早是由瑞士天文学家FritzZwicky于1933年提出的。•由后发座星系团中的星系速度弥散度推断出来的星系团质量，比从星系团中的发光星体推出的质量竟然大了数百倍他由此得出结论说,该星系团主要由不发光的物质构成,并首次称之为——暗物质•20世纪70年代，女天文学家VeraRubin发表了第一个表明暗物质在星系中普遍存在的清晰的观测证据。•2006年，钱德拉望远镜，星系碰撞，直接证据暗物质是否存在•以严谨著称的《Nature》经过多轮考察，以介绍论文第一作者的形式对常进进行了专访，刊登在同期刊物上。该项研究成果引起科学界广泛关注。《Science》将以“DarkMatterStory”为题重点介绍该成果。•此外，英国的《新科学家》（NewScientist），美国《纽约时报》（NewYorkTimes）、美国航空航天局科学中心《science@nasa》等国外主流媒体都将在11月20日或稍后对该成果进行报道。突破口——先找暗物质的“儿子”。•暗物质找不到？没有关系，可以先找找它的儿子。•世界上的物质都有反物质，当一个物质遇到一个反物质的时候，两者都会被摧毁，由此产生巨大的能量。但是暗物质非常独特，它的反物质就是本身，如果暗物质粒子和自身的反物质粒子发生碰撞，那么所产生的能量将更大。•如果能够监测到暗物质粒子碰撞后产生的“儿子”，也就是高能电子，其流量远高于正常值，这就间接证明有暗物质的产生。十年努力终获认可•2000年底至2001年初，经过改造后的“ATIC”观测设备在南极升空观测高能电子。•据了解，以往学界普遍认为太阳系附近的高能电子主要来源于超新星遗迹，并建立了太阳系高能电子流量模型。•可他们获得的高能电子的流量远远超出了模型预计的流量。这意味着高能电子还存在别的“起源”。十年努力终获认可•经过分析，他们发现观测结果与目前暗物质理论模型相吻合。表明这些不明来源的高能粒子将有可能是暗物质粒子湮灭时所产生的。•此后的7年中，常进与合作者在南极进行了3次观测（其中1次因气球漏气失败），他们共观测到3000多万个宇宙线粒子，经过层层筛选，他们找到210个高能电子。在翔实的数据面前，研究人员在说服自己的同时，也得到了业内人士的认可。发现暗物质粒子湮灭证据？•目前高能电子的观测精度还可以进一步提高，并不排除这些不明来历的高能电子来自于太阳系附近的特殊天体。即使这样，这也是人类第一次直接观测到来自于“特殊天体”的高能电子。•目前高能电子的直接验证告一段落，不久将证明这与暗物质不相关。•何为暗物质，逐步将从观念上进行改变，多维空间的认识是对暗物质认识的关键所在。暗物质之间发生作用产生的能量是非三维的暗能量，不会释放我们认识的三维空间的那种能量。暗物质是怎么存在的呢？•暗物质是物质的非三维的那部分状态或属性。•不管是我们人还是万物都有暗物质的部分，我们已知的三维部分只是多维部分的很少的一部分，这也应正了之前的发现。•暗物质之间发生相互作用只在相同维度有作用力，在不同维度之间作用力为零。暗物质粒子的候选者•暗物质粒子是来源于标准模型以外的某种未知的粒子。•根据天文观测,暗物质应该由非重子的冷暗物质构成.所谓冷暗物质是指暗物质粒子的运动速度非常慢,远远小于光速。目前人们认为暗物质粒子最有可能是弱作用的大质量粒子，如额外维度空间粒子或超对称理论粒子等•假说中的基本粒子，它具有寿命长、温度低、无碰撞的特性。寿命长意味着它的寿命必须与现今宇宙年龄相当，甚至更长。暗物质粒子的候选者•其中一个候选者就是中性子（neutralino），一种超对称模型中提出的粒子。超对称理论是超引力和超弦理论的基础，它要求每一个已知的费米子都要有一个伴随的玻色子（尚未观测到），同时每一个玻色子也要有一个伴随的费米子。如果超对称依然保持到今天，伴随粒子将都具有相同的质量。但是由于在宇宙的早期超对称出现了自发的破缺，于是今天伴随粒子的质量也出现了变化。而且，大部分超对称伴随粒子是不稳定的，在超对称出现破缺之后不久就发生了衰变。但是，有一种最轻的伴随粒子（质量在100GeV的数量级）由于其自身的对称性避免了衰变的发生。在最简单模型中，这些粒子是呈电中性且弱相互作用的--是WIMP的理想候选者。暗物质粒子的候选者•另一个候选者是轴子（axion），一种非常轻的中性粒子（其质量在1μeV的数量级上），它在大统一理论中起了重要的作用。轴子间通过极微小的力相互作用，由此它无法处于热平衡状态，因此不能很好的解释它在宇宙中的丰度。在宇宙中，轴子处于低温玻色子凝聚状态，现在已经建造了轴子探测器，探测工作也正在进行。暗物质粒子的特性•是来源于宇宙大爆炸的稳定粒子•中性不带电,与普通物质最多只有弱相互作用•质量约为10-100GeV(或稍小),相对于地球速度的不大(约270km/s)•暗物质粒子与其反粒子碰撞后湮灭,形成普通的粒子(如电子(e)、正电子或γ射线等),即χ+χ'→e+e或→γ+γ,..（χ代表WIMP,χ'代表其反粒子）暗物质粒子的探测•因为暗物质粒子不参与电磁相互作用,普通的天文观测方法很难发现它的踪迹。为了解暗物质的本质目前的探测方法大致可以分为三种：•对撞机探测法、直接探测法、间接探测法对撞机探测法•首先要在加速器上将暗物质粒子“创造”出来,因暗物质粒子即使被“创造”出来,也不会被探测器发现,所以只能通过其他可见粒子来推测是否有这样的粒子产生。•能量丢失是暗物质粒子在对撞机上产生的标志,但是暗物质粒子会带走一部分“能量”却能够不被探测器发现,因此我们只能从丢失的“能量”和分布来推测暗物质的性质。•欧洲核子中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)被认为很有可能“创造”出暗物质粒子。直接探测法•暗物质直接探测实验是目前最重要的探测方式。其基本原理非常简单：银河系中充满了暗物质粒子并且在不断地穿过地球,因此我们可以用一个探测器来捕捉暗物质粒子WIMP与探测器中物质的原子核碰撞所产生的信号。间接探测法•暗物质粒子之间发生湮灭并产生高能辐射,如高能的伽马射线、高能正电子、反质子以及高能中微子。探测这些信号可以间接确定暗物质的存在,这样的实验称之为暗物质间接探测实验。•间接探测涉及到很多复杂的成分,如需要知道暗物质的分布情况、暗物质间湮灭截面的大小等。因此,间接探测涉及到粒子物理、天文学以及宇宙学等多方面的知识。暗物质研究现状与展望•2008年,中国和意大利合作课题组(DAMALIBRA)对外宣布,他们的地下实验发现了某种周期性变化的信号,这可能就是人们长期寻找的暗物质信号•DAMA实验组认为,其结果完全排除了本底、环境温度、系统不稳定性等诸多因素的影响,是到目前为止暗物质探测唯一的正面结果。但是这一结果尚未得到其他实验的证实。•其他的直接探测实验多采用排除本底的手段,如美国明尼苏达州的CDMS实验和位于格兰萨索的XENON实验。并且实验的灵敏度正在大幅提高,已经对某些流行的暗物质理论模型如最小超对称模型给出了一定的限制。暗物质研究现状与展望•同年,欧洲的PAMELA卫星实验公布的宇宙线中反物质的探测结果显示：地球附近太空中的正电子能谱在能量约高于10GeV的区域内明显上升。这与传统的宇宙线理论中预言的下降能谱不符合,同时该实验组在能量约低于100GeV的能区内探测到宇宙线中正电子的成分明显超出了宇宙线物理的预期。•随后,我国紫金山天文台参与的ATIC高空气球探测结果显示：高能区正负电子的总能谱在能量约600GeV的区域有明显的超出背景现象且能谱有明显的类似鼓包(bump)的结构。这一结果与以前的PPB–BETS气球实验结果一致。•其后的美国FermiLAT卫星实验以前所未有的超高精确度再次测量了正负电子的总能谱,其结果也显示为超出背景现象。暗物质研究现状与展望•2009年,CDMSII实验组宣布,发现了两个疑似暗物质与核子碰撞的事例,碰撞反冲能在10keV左右,对应的暗物质的质量有可能在小于100GeV的区间内。这些结果引起了广泛的关注。但目前还不能确定观测到的事例是否由统计误差引起的。同样位于明尼苏达的CoGent实验组也宣称观察到了轻的暗物质粒子的可能迹象。•总之,目前国际上探测暗物质的实验研究正处在蓬勃发展中,未来的10年将是暗物质探测的黄金时代。个人观点•对于暗物质的研究或许可以帮助我们发现新的科学理论和科学技术。随着科学技术的进步以及人类对物质能量认识的不断深入，暗物质的本来面目也会越来越明晰。或许暗物质将成为一种广泛的能量来源，被我们应用到生产生活中，人类的发展前景将不会再止步于地球而是向浩瀚的宇宙进发，宇宙将会像现在的“地球村”一样被人类所居住。thankyou