暗物质

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”。
• 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 “Dark Matter Story” 为题重点介绍该成果。 • 此外，英国的《新科学家》（New Scientist），美国 《纽约时报》（New York Times）、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。
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。
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
• 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。
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。
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Fermi LAT 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。
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。
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。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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。
• 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Fritz Zwicky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Vera Rubin 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。
thank you
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。
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。
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 。
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）