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暗物质粒子探测
2018-05-30 | 文章来源: 毕效军| 浏览次数:  |

  暗物质是天文学家观测宇宙时发现的一种“暗”的物质。所谓“暗”的物质是指没有观测到这种物质任何的电磁辐射。我们知道,天文学家观测宇宙所通过的媒介是不同波段的电磁波,如图1所示,根据波长的不同,电磁波从波长最长的无线电波、微波、红外线、可见光到波长比较短的紫外线、X射线和能量最高的γ射线。现代的天文观测仪器发展迅速,在各个波段都有非常强有力的观测仪器,然而,所有这些强大的天文仪器都没有观测到暗物质所发射的电磁辐射,故而被称作暗物质。

图1 不同波长的电磁波辐射

  那么暗物质又是如何被发现的呢?我们可以从太阳系中海王星的发现历史得到很多启发,从而更好理解暗物质的发现。自从牛顿发现了万有引力定律以来,天文学家成功地解释了大部分行星的运行轨道,如图2所示。然而,对天王星运行轨迹却不能得到令人满意的解释,它的运动规律和万有引力的预言有着明显的差异。法国天文学家勒维耶和英国天文学家亚当斯猜测太阳系中应该还存在一颗当时还没有发现的行星,这颗行星的引力使得天王星的运动偏离了原来预期的轨道。根据他们的预言,伽勒在1846年发现了这颗行星,即海王星。这个故事就非常像今天的暗物质,虽然我们没有观测到暗物质的任何电磁辐射,但我们却观测到了暗物质的引力对于其他可见物质运动的影响,这就是天文学家推断宇宙中存在暗物质的理由。

图2 太阳系的行星结构

  首先以太阳的运行为例。如图3所示,太阳到银河系中心的距离是2.8 万光年,而绕银河系中心旋转一周所需的时间是2.3亿年。我们知道,要把太阳固定在这样的圆周运动的轨道上所需向心力和物质提供的引力相等。通过简单的计算就可以得到,产生这样的向心力需要太阳轨道内包含大约1011 MSun(太阳质量)的物质,而可以观测到的恒星和气体的质量只有大约几倍的109 MSun。显然,还有更多的不可见的物质贡献了更强的引力,这个推断和当初推断天王星之外还存在着海王星的道理是一样的。如果不存在暗物质,那么向心吸引力就要弱很多,太阳的旋转速度也要相应小很多。

图3 太阳绕银河系运动的参数

图4 M33的旋转曲线

  图4所示是一个称作M33的星系中恒星绕星系中心旋转的速度随着到星系中心距离的分布,上边的曲线是观测到的速度,而下边的曲线是根据观测的可见物质预计的速度分布。我们看到,两者有着明显的差别,实际测量的结果要远大于计算结果,这表明还有不可见的物质增大了引力,这是天文学家推测暗物质存在最直接的观测证据。根据不同距离处旋转速度的大小可以推算暗物质的分布,因而我们可以得到如图5所示的银河系中的物质分布图。从图5可见,我们银河系的恒星大部分分布在一个很小的盘状结构中,这就是我们熟悉的银盘。在银盘外边包围着巨大的暗物质构成的球状的结构,称作暗物质“晕”。

图5 银河系的物质分布:普通恒星分布在盘状结构上, 而暗物质则形成一个巨大的几乎球对称的晕状结构,称作暗物质晕。

  以上所介绍的是通过星系中恒星的旋转速度判断暗物质的存在,是暗物质存在最直接的观测证据。其他天文观测还有许许多多,无不证实了宇宙中暗物质的存在,比如星系团中热气体的分布、星系团所造成的引力透镜效应、宇宙中微波背景的观测等均在更大的尺度上证实了暗物质的存在。今天,天文学家建立了一个“标准宇宙学模型”,这个模型中宇宙由68%的暗能量、27%的暗物质和5%的普通物质组成,可以成功解释几乎到目前为止所有的宇宙学观测现象,可以说是当前人类对宇宙的最新认识。

  尽管大量的天文观测已经证实了暗物质的存在,但是,与发现海王星的过程不同的是,经过多年的各种努力尝试后我们仍然没有直接观测到暗物质的存在。暗物质究竟是一种什么样的物质呢?一般认为暗物质应该是由一种全新的粒子构成,它不同于我们已经了解的任何一种组成我们周围物质的粒子,目前我们所知道的它是稳定的、不带电的、运动速度很慢的粒子。然而,其具体的性质如何,比如其质量大小,其相互作用的性质等都无法确定。

  物理学家也提出了许许多多的暗物质模型来解释暗物质的现象,然而,由于没有暗物质观测的直接数据,因而,不同的暗物质模型中暗物质粒子的性质相差非常大。在这许许多多的暗物质模型中,有一种被称为是“弱作用重粒子”的暗物质模型是目前研究最多的。这类模型的出发点是解释“暗物质在宇宙中如何产生”这个问题,这一模型认为暗物质应该和普通物质一样是在宇宙的极早期由高温高密的物质状态中产生出来的,这就和普通物质的产生是相同的过程。如果这一假设成立,研究发现当暗物质质量和相互作用强度和我们已经了解的弱作用类似,那么其在宇宙中所产生的密度就和今天我们观测到的密度相一致。由于这类模型能够解释我们观测到的暗物质在宇宙中的丰度,因而受到了极大的关注。目前大部分暗物质探测实验所要寻找的对象就是这种“弱作用重粒子”的暗物质。

  当前探测暗物质主要包括三类实验方案,如图6所示。要探测暗物质粒子就需要探测到暗物质粒子和普通粒子的相互作用,只有通过对探测信号的分析才能了解图6中“未知相互作用”是什么样的。这种相互作用体现在三个方向上,从下向上,就是通过把普通粒子加速到很高的能量对撞产生出暗物质粒子,这就是对撞机探测,比如在欧洲核子中心的大型强子对撞机(LHC)上进行的暗物质寻找就是这种探测方式。横向的方向表示一个暗物质粒子和普通粒子发生弹性散射,通过探测这种散射产生的信号寻找暗物质被称为暗物质的直接探测。从上向下的方向代表着两个暗物质粒子碰撞并湮灭而产生一对普通粒子,通过寻找这样的湮灭产物寻找暗物质粒子被称为暗物质的间接探测。

图6 暗物质的三种探测方式

  暗物质的直接探测就是寻找当暗物质粒子打到探测器后所留下来的信号,通常这个信号非常的微弱,而宇宙线的噪声信号要远大于暗物质的散射信号。因而,为了探测到这样微弱的信号,需要把探测器放在很深的地下实验室以把宇宙线噪声屏蔽掉。图7显示的是世界上地下实验室的分布以及每个实验室中所开展的暗物质直接探测实验。我国的四川锦屏地下实验室于2010年建成,是目前最深的因而也是宇宙线噪声最小的地下实验室,非常适于暗物质探测实验的开展,目前有两个直接探测实验正在锦屏地下实验室进行。不过,尽管直接探测实验已经开展了大约30年的时间,实验灵敏度有了巨大的提高,但是到目前为止,还是没有发现令人信服的暗物质散射的信号。

图7 世界上的地下实验室分布和相应实验室开展的直接探测实验

图8 暗物质间接探测示意图

  暗物质的间接探测的原理如图8所示,即两个暗物质粒子碰撞后会发生“湮灭”而变成我们熟悉的夸克、轻子等粒子。这些不稳定的粒子会迅速衰变而成为稳定粒子,如正负电子、正反质子、中微子、光子等。间接探测即是通过寻找宇宙线中的这些信号来寻找暗物质。间接探测实验通常在地面和空间进行,地面的实验适合探测暗物质湮灭所产生的γ射线信号和中微子信号,但带电粒子会和大气很快发生反应,所以地面实验不是特别适合探测带电粒子信号。通常为了得到更加干净的暗物质湮灭信号,需要在空间开展实验,包括卫星实验和在空间站开展的实验。目前正在进行的空间实验有如下几个。Fermi卫星是美国发射的γ射线探测卫星,用来寻找暗物质湮灭所产生的γ射线信号。Fermi卫星2008年发射,至今已经运行了近10年,取得了大量的科研成果。然而,它却没有发现暗物质湮灭的信号,因而,给暗物质性质设置了非常严格的限制。另外两个实验PAMELA卫星实验和AMS-02 国际空间站实验(图9)都带有磁场,因而能够测量带电粒子的电荷。它们主要是测量宇宙线中的反粒子,如正电子、反质子等,以寻找暗物质信号。最后一个是我国在2015年发射的暗物质粒子探测卫星“悟空”,它主要是通过探测暗物质湮灭所产生的电子来寻找暗物质信号。

图9 几个空间的暗物质探测实验: AMS-02 空间站实验、 Fermi 卫星、“悟空”卫星

  近年来在暗物质探测方面一个重要的进展就是发现了宇宙线中存在正电子超出。PAMELA卫星在2008年发现宇宙线中正电子比通常宇宙线物理所预期的流量高出了许多,这多出来的正电子让科学家非常兴奋,认为有可能就是人们长期梦寐以求的暗物质信号。研究表明,暗物质湮灭的确可以完美解释这些多出来的正电子。但不幸的是,暗物质却不是唯一的解释。天文学家认为,银河系中存在一种称为脉冲星的天体,它是高速旋转的中子星。这种天体可以加速产生高能量的正负电子对并辐射到银河系空间,这类信号如果传播到地球上,就可以解释实验所观测到的多余正电子信号。AMS-02是由著名的华裔物理学家丁肇中教授所领导,安装在国际空间站上的大型实验装置。它更加精确地测量了宇宙线中正负电子的能谱,不但证实了PAMELA的观测,还在更大的能量范围和更高的精度上扩展了这一结论。但是,即使是AMS-02 的结果也无法确认正电子的来源到底是暗物质还是脉冲星。图10中不同的曲线代表了不同来源的正电子,我们发现这些曲线都能够解释图中的AMS-02 的数据点。要解决这个问题需要更大的探测器才可能完成。此外,AMS-02 最近发表了反质子的测量结果,这个测量结果似乎在最高能量的地方和宇宙线的理论预期不符,即需要额外的反质子来源。如果这一结果将来被证实,这极有可能是暗物质湮灭的信号。但目前的实验数据仍然不足以确认这一结果。

图10 AMS-02观测的宇宙线中正电子所占比例(点)和不同的理论模型解释(图中的实线)

  我国的“悟空”卫星就是希望能够在更高的能量范围内测量宇宙线电子的能谱(由于“悟空”探测器不带磁场,因而无法区分正负电荷,它测量的实际是电子和正电子加起来的能谱,我们统称为电子能谱),从而可以帮助研究宇宙线超出的正电子的来源。“悟空”的第一个实验结果在2017年底发表(图11),这个结果是第一次通过空间直接探测,把宇宙线电子的能量测量到4.6TeV,并发现了能谱的“拐折”的结构,但是,这些还是不足以确认是否存在暗物质。寻找暗物质可能需要在更高能量及更高精度上进行研究。我国空间站的未来宇宙线实验HERD将可能在这方面取得重要的突破,为暗物质寻找提供更多的线索。

图11 “悟空”的观测结果---高能电子能谱

  总之,暗物质问题是当前基础物理学研究中一个至关重要的问题,科学家为解决这一问题做出了不懈的努力。然而,这些探寻暗物质的工作,尽管取得了巨大的进步,获得了多方面的科研成果,却仍然没有找到确定的暗物质信号,暗物质之谜将继续存在并依然困扰着人们。可喜的是,我国科学家在这一领域虽然起步较晚,但已经取得了国际领先的成果,在不同暗物质探测方向上都显示了极强的竞争力。

  (本文选自《现代物理知识》2018年第2期,作者为中科院高能所研究员毕效军)

  


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