暗物質(zhì)粒子?基本簡(jiǎn)介

暗物質(zhì)是天文學(xué)家觀測(cè)宇宙時(shí)發(fā)現(xiàn)的一種“暗”的物質(zhì)。所謂“暗”的物質(zhì)是指沒(méi)有觀測(cè)到這種物質(zhì)任何的電磁輻射。我們知道，天文學(xué)家觀測(cè)宇宙所通過(guò)的媒介是不同波段的電磁波，如圖1所示，根據(jù)波長(zhǎng)的不同，電磁波從波長(zhǎng)最長(zhǎng)的無(wú)線電波、微波、紅外線、可見(jiàn)光到波長(zhǎng)比較短的紫外線、X射線和能量最高的γ射線。現(xiàn)代的天文觀測(cè)儀器發(fā)展迅速，在各個(gè)波段都有非常強(qiáng)有力的觀測(cè)儀器，然而，所有這些強(qiáng)大的天文儀器都沒(méi)有觀測(cè)到暗物質(zhì)所發(fā)射的電磁輻射，故而被稱作暗物質(zhì)。

圖1.不同波長(zhǎng)的電磁波輻射

那么暗物質(zhì)又是如何被發(fā)現(xiàn)的呢？我們可以從太陽(yáng)系中海王星的發(fā)現(xiàn)歷史得到很多啟發(fā)，從而更好理解暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)。自從牛頓發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律以來(lái)，天文學(xué)家成功地解釋了大部分行星的運(yùn)行軌道，如圖2所示。然而，對(duì)天王星運(yùn)行軌跡卻不能得到令人滿意的解釋，它的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和萬(wàn)有引力的預(yù)言有著明顯的差異。法國(guó)天文學(xué)家勒維耶和英國(guó)天文學(xué)家亞當(dāng)斯猜測(cè)太陽(yáng)系中應(yīng)該還存在一顆當(dāng)時(shí)還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的行星，這顆行星的引力使得天王星的運(yùn)動(dòng)偏離了原來(lái)預(yù)期的軌道。根據(jù)他們的預(yù)言，伽勒在1846年發(fā)現(xiàn)了這顆行星，即海王星。這個(gè)故事就非常像今天的暗物質(zhì)，雖然我們沒(méi)有觀測(cè)到暗物質(zhì)的任何電磁輻射，但我們卻觀測(cè)到了暗物質(zhì)的引力對(duì)于其他可見(jiàn)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的影響，這就是天文學(xué)家推斷宇宙中存在暗物質(zhì)的理由。

圖2.太陽(yáng)系的行星結(jié)構(gòu)

首先以太陽(yáng)的運(yùn)行為例。如圖3所示，太陽(yáng)到銀河系中心的距離是2.8萬(wàn)光年，而繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)一周所需的時(shí)間是2.3億年。我們知道，要把太陽(yáng)固定在這樣的圓周運(yùn)動(dòng)的軌道上所需向心力和物質(zhì)提供的引力相等。通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算就可以得到，產(chǎn)生這樣的向心力需要太陽(yáng)軌道內(nèi)包含大約1011MSun(太陽(yáng)質(zhì)量)的物質(zhì)，而可以觀測(cè)到的恒星和氣體的質(zhì)量只有大約幾倍的109MSun。顯然，還有更多的不可見(jiàn)的物質(zhì)貢獻(xiàn)了更強(qiáng)的引力，這個(gè)推斷和當(dāng)初推斷天王星之外還存在著海王星的道理是一樣的。如果不存在暗物質(zhì)，那么向心吸引力就要弱很多，太陽(yáng)的旋轉(zhuǎn)速度也要相應(yīng)小很多。

圖3.太陽(yáng)繞銀河系運(yùn)動(dòng)的參數(shù)

圖4.M33的旋轉(zhuǎn)曲線

圖4所示是一個(gè)稱作M33的星系中恒星繞星系中心旋轉(zhuǎn)的速度隨著到星系中心距離的分布，上邊的曲線是觀測(cè)到的速度，而下邊的曲線是根據(jù)觀測(cè)的可見(jiàn)物質(zhì)預(yù)計(jì)的速度分布。我們看到，兩者有著明顯的差別，實(shí)際測(cè)量的結(jié)果要遠(yuǎn)大于計(jì)算結(jié)果，這表明還有不可見(jiàn)的物質(zhì)增大了引力，這是天文學(xué)家推測(cè)暗物質(zhì)存在最直接的觀測(cè)證據(jù)。根據(jù)不同距離處旋轉(zhuǎn)速度的大小可以推算暗物質(zhì)的分布，因而我們可以得到如圖5所示的銀河系中的物質(zhì)分布圖。從圖5可見(jiàn)，我們銀河系的恒星大部分分布在一個(gè)很小的盤(pán)狀結(jié)構(gòu)中，這就是我們熟悉的銀盤(pán)。在銀盤(pán)外邊包圍著巨大的暗物質(zhì)構(gòu)成的球狀的結(jié)構(gòu)，稱作暗物質(zhì)“暈”。

圖5.銀河系的物質(zhì)分布：普通恒星分布在盤(pán)狀結(jié)構(gòu)上，而暗物質(zhì)則形成一個(gè)巨大的幾乎球?qū)ΨQ的暈狀結(jié)構(gòu)，稱作暗物質(zhì)暈。

以上所介紹的是通過(guò)星系中恒星的旋轉(zhuǎn)速度判斷暗物質(zhì)的存在，是暗物質(zhì)存在最直接的觀測(cè)證據(jù)。其他天文觀測(cè)還有許許多多，無(wú)不證實(shí)了宇宙中暗物質(zhì)的存在，比如星系團(tuán)中熱氣體的分布、星系團(tuán)所造成的引力透鏡效應(yīng)、宇宙中微波背景的觀測(cè)等均在更大的尺度上證實(shí)了暗物質(zhì)的存在。今天，天文學(xué)家建立了一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型”，這個(gè)模型中宇宙由68%的暗能量、27%的暗物質(zhì)和5%的普通物質(zhì)組成，可以成功解釋幾乎到目前為止所有的宇宙學(xué)觀測(cè)現(xiàn)象，可以說(shuō)是當(dāng)前人類對(duì)宇宙的最新認(rèn)識(shí)。

盡管大量的天文觀測(cè)已經(jīng)證實(shí)了暗物質(zhì)的存在，但是，與發(fā)現(xiàn)海王星的過(guò)程不同的是，經(jīng)過(guò)多年的各種努力嘗試后我們?nèi)匀粵](méi)有直接觀測(cè)到暗物質(zhì)的存在。暗物質(zhì)究竟是一種什么樣的物質(zhì)呢？一般認(rèn)為暗物質(zhì)應(yīng)該是由一種全新的粒子構(gòu)成，它不同于我們已經(jīng)了解的任何一種組成我們周圍物質(zhì)的粒子，目前我們所知道的它是穩(wěn)定的、不帶電的、運(yùn)動(dòng)速度很慢的粒子。然而，其具體的性質(zhì)如何，比如其質(zhì)量大小，其相互作用的性質(zhì)等都無(wú)法確定。

物理學(xué)家也提出了許許多多的暗物質(zhì)模型來(lái)解釋暗物質(zhì)的現(xiàn)象，然而，由于沒(méi)有暗物質(zhì)觀測(cè)的直接數(shù)據(jù)，因而，不同的暗物質(zhì)模型中暗物質(zhì)粒子的性質(zhì)相差非常大。在這許許多多的暗物質(zhì)模型中，有一種被稱為是“弱作用重粒子”的暗物質(zhì)模型是目前研究最多的。這類模型的出發(fā)點(diǎn)是解釋“暗物質(zhì)在宇宙中如何產(chǎn)生”這個(gè)問(wèn)題，這一模型認(rèn)為暗物質(zhì)應(yīng)該和普通物質(zhì)一樣是在宇宙的極早期由高溫高密的物質(zhì)狀態(tài)中產(chǎn)生出來(lái)的，這就和普通物質(zhì)的產(chǎn)生是相同的過(guò)程。如果這一假設(shè)成立，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)暗物質(zhì)質(zhì)量和相互作用強(qiáng)度和我們已經(jīng)了解的弱作用類似，那么其在宇宙中所產(chǎn)生的密度就和今天我們觀測(cè)到的密度相一致。由于這類模型能夠解釋我們觀測(cè)到的暗物質(zhì)在宇宙中的豐度，因而受到了極大的關(guān)注。目前大部分暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)所要尋找的對(duì)象就是這種“弱作用重粒子”的暗物質(zhì)。

當(dāng)前探測(cè)暗物質(zhì)主要包括三類實(shí)驗(yàn)方案，如圖6所示。要探測(cè)暗物質(zhì)粒子就需要探測(cè)到暗物質(zhì)粒子和普通粒子的相互作用，只有通過(guò)對(duì)探測(cè)信號(hào)的分析才能了解圖6中“未知相互作用”是什么樣的。這種相互作用體現(xiàn)在三個(gè)方向上，從下向上，就是通過(guò)把普通粒子加速到很高的能量對(duì)撞產(chǎn)生出暗物質(zhì)粒子，這就是對(duì)撞機(jī)探測(cè)，比如在歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)上進(jìn)行的暗物質(zhì)尋找就是這種探測(cè)方式。橫向的方向表示一個(gè)暗物質(zhì)粒子和普通粒子發(fā)生彈性散射，通過(guò)探測(cè)這種散射產(chǎn)生的信號(hào)尋找暗物質(zhì)被稱為暗物質(zhì)的直接探測(cè)。從上向下的方向代表著兩個(gè)暗物質(zhì)粒子碰撞并湮滅而產(chǎn)生一對(duì)普通粒子，通過(guò)尋找這樣的湮滅產(chǎn)物尋找暗物質(zhì)粒子被稱為暗物質(zhì)的間接探測(cè)。

圖6.暗物質(zhì)的三種探測(cè)方式

暗物質(zhì)的直接探測(cè)就是尋找當(dāng)暗物質(zhì)粒子打到探測(cè)器后所留下來(lái)的信號(hào)，通常這個(gè)信號(hào)非常的微弱，而宇宙線的噪聲信號(hào)要遠(yuǎn)大于暗物質(zhì)的散射信號(hào)。因而，為了探測(cè)到這樣微弱的信號(hào)，需要把探測(cè)器放在很深的地下實(shí)驗(yàn)室以把宇宙線噪聲屏蔽掉。圖7顯示的是世界上地下實(shí)驗(yàn)室的分布以及每個(gè)實(shí)驗(yàn)室中所開(kāi)展的暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)。我國(guó)的四川錦屏地下實(shí)驗(yàn)室于2010年建成，是目前最深的因而也是宇宙線噪聲最小的地下實(shí)驗(yàn)室，非常適于暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，目前有兩個(gè)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)正在錦屏地下實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。不過(guò)，盡管直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)開(kāi)展了大約30年的時(shí)間，實(shí)驗(yàn)靈敏度有了巨大的提高，但是到目前為止，還是沒(méi)有發(fā)現(xiàn)令人信服的暗物質(zhì)散射的信號(hào)。

圖7.世界上的地下實(shí)驗(yàn)室分布和相應(yīng)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展的直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)

圖8.暗物質(zhì)間接探測(cè)示意圖

暗物質(zhì)的間接探測(cè)的原理如圖8所示，即兩個(gè)暗物質(zhì)粒子碰撞后會(huì)發(fā)生“湮滅”而變成我們熟悉的夸克、輕子等粒子。這些不穩(wěn)定的粒子會(huì)迅速衰變而成為穩(wěn)定粒子，如正負(fù)電子、正反質(zhì)子、中微子、光子等。間接探測(cè)即是通過(guò)尋找宇宙線中的這些信號(hào)來(lái)尋找暗物質(zhì)。間接探測(cè)實(shí)驗(yàn)通常在地面和空間進(jìn)行，地面的實(shí)驗(yàn)適合探測(cè)暗物質(zhì)湮滅所產(chǎn)生的γ射線信號(hào)和中微子信號(hào)，但帶電粒子會(huì)和大氣很快發(fā)生反應(yīng)，所以地面實(shí)驗(yàn)不是特別適合探測(cè)帶電粒子信號(hào)。通常為了得到更加干凈的暗物質(zhì)湮滅信號(hào)，需要在空間開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，包括衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)和在空間站開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)。目前正在進(jìn)行的空間實(shí)驗(yàn)有如下幾個(gè)。Fermi衛(wèi)星是美國(guó)發(fā)射的γ射線探測(cè)衛(wèi)星，用來(lái)尋找暗物質(zhì)湮滅所產(chǎn)生的γ射線信號(hào)。Fermi衛(wèi)星2008年發(fā)射，至今已經(jīng)運(yùn)行了近10年，取得了大量的科研成果。然而，它卻沒(méi)有發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)湮滅的信號(hào)，因而，給暗物質(zhì)性質(zhì)設(shè)置了非常嚴(yán)格的限制。另外兩個(gè)實(shí)驗(yàn)PAMELA衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)和AMS-02國(guó)際空間站實(shí)驗(yàn)（圖9）都帶有磁場(chǎng)，因而能夠測(cè)量帶電粒子的電荷。它們主要是測(cè)量宇宙線中的反粒子，如正電子、反質(zhì)子等，以尋找暗物質(zhì)信號(hào)。最后一個(gè)是我國(guó)在2015年發(fā)射的暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”，它主要是通過(guò)探測(cè)暗物質(zhì)湮滅所產(chǎn)生的電子來(lái)尋找暗物質(zhì)信號(hào)。

圖9.幾個(gè)空間的暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)：AMS-02空間站實(shí)驗(yàn)、Fermi衛(wèi)星、“悟空”衛(wèi)星

近年來(lái)在暗物質(zhì)探測(cè)方面一個(gè)重要的進(jìn)展就是發(fā)現(xiàn)了宇宙線中存在正電子超出。PAMELA衛(wèi)星在2008年發(fā)現(xiàn)宇宙線中正電子比通常宇宙線物理所預(yù)期的流量高出了許多，這多出來(lái)的正電子讓科學(xué)家非常興奮，認(rèn)為有可能就是人們長(zhǎng)期夢(mèng)寐以求的暗物質(zhì)信號(hào)。研究表明，暗物質(zhì)湮滅的確可以完美解釋這些多出來(lái)的正電子。但不幸的是，暗物質(zhì)卻不是唯一的解釋。天文學(xué)家認(rèn)為，銀河系中存在一種稱為脈沖星的天體，它是高速旋轉(zhuǎn)的中子星。這種天體可以加速產(chǎn)生高能量的正負(fù)電子對(duì)并輻射到銀河系空間，這類信號(hào)如果傳播到地球上，就可以解釋實(shí)驗(yàn)所觀測(cè)到的多余正電子信號(hào)。AMS-02是由著名的華裔物理學(xué)家丁肇中教授所領(lǐng)導(dǎo)，安裝在國(guó)際空間站上的大型實(shí)驗(yàn)裝置。它更加精確地測(cè)量了宇宙線中正負(fù)電子的能譜，不但證實(shí)了PAMELA的觀測(cè)，還在更大的能量范圍和更高的精度上擴(kuò)展了這一結(jié)論。但是，即使是AMS-02的結(jié)果也無(wú)法確認(rèn)正電子的來(lái)源到底是暗物質(zhì)還是脈沖星。圖10中不同的曲線代表了不同來(lái)源的正電子，我們發(fā)現(xiàn)這些曲線都能夠解釋圖中的AMS-02的數(shù)據(jù)點(diǎn)。要解決這個(gè)問(wèn)題需要更大的探測(cè)器才可能完成。此外，AMS-02最近發(fā)表了反質(zhì)子的測(cè)量結(jié)果，這個(gè)測(cè)量結(jié)果似乎在最高能量的地方和宇宙線的理論預(yù)期不符，即需要額外的反質(zhì)子來(lái)源。如果這一結(jié)果將來(lái)被證實(shí)，這極有可能是暗物質(zhì)湮滅的信號(hào)。但目前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)仍然不足以確認(rèn)這一結(jié)果。

圖10.AMS-02觀測(cè)的宇宙線中正電子所占比例（點(diǎn)）和不同的理論模型解釋（圖中的實(shí)線）

我國(guó)的“悟空”衛(wèi)星就是希望能夠在更高的能量范圍內(nèi)測(cè)量宇宙線電子的能譜(由于“悟空”探測(cè)器不帶磁場(chǎng)，因而無(wú)法區(qū)分正負(fù)電荷，它測(cè)量的實(shí)際是電子和正電子加起來(lái)的能譜，我們統(tǒng)稱為電子能譜)，從而可以幫助研究宇宙線超出的正電子的來(lái)源?！拔蚩铡钡牡谝粋€(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果在2017年底發(fā)表（圖11），這個(gè)結(jié)果是第一次通過(guò)空間直接探測(cè)，把宇宙線電子的能量測(cè)量到4.6TeV，并發(fā)現(xiàn)了能譜的“拐折”的結(jié)構(gòu)，但是，這些還是不足以確認(rèn)是否存在暗物質(zhì)。尋找暗物質(zhì)可能需要在更高能量及更高精度上進(jìn)行研究。我國(guó)空間站的未來(lái)宇宙線實(shí)驗(yàn)HERD將可能在這方面取得重要的突破，為暗物質(zhì)尋找提供更多的線索。

圖11.“悟空”的觀測(cè)結(jié)果---高能電子能譜

總之，暗物質(zhì)問(wèn)題是當(dāng)前基礎(chǔ)物理學(xué)研究中一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題，科學(xué)家為解決這一問(wèn)題做出了不懈的努力。然而，這些探尋暗物質(zhì)的工作，盡管取得了巨大的進(jìn)步，獲得了多方面的科研成果，卻仍然沒(méi)有找到確定的暗物質(zhì)信號(hào)，暗物質(zhì)之謎將繼續(xù)存在并依然困擾著人們?？上驳氖?，我國(guó)科學(xué)家在這一領(lǐng)域雖然起步較晚，但已經(jīng)取得了國(guó)際領(lǐng)先的成果，在不同暗物質(zhì)探測(cè)方向上都顯示了極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

作者系中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員

來(lái)源：《現(xiàn)代物理知識(shí)》