Direct searches for Dark Matter Particles WIMPs and axions
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寻找暗物质的最新实验进展暗物质是宇宙中一种假设性的物质,它不与电磁力相互作用,因此无法被普通的望远镜直接观察到。
然而,研究人员通过引力效应与其他间接证据推测了它的存在。
至今,暗物质仍然是现代物理学和宇宙学中最为重要且未解的谜题之一。
近年来,科学界在寻找暗物质方面开展了许多实验,以下是一些重要的进展。
暗物质的概念及其重要性在开始探讨具体的实验进展之前,有必要简要回顾一下暗物质的概念。
根据宇宙学模型,宇宙中的可见物质仅占总质量的约5%,而暗物质则占据了大约27%,还有68%的能量以暗能量的形式存在。
由于暗物质不发光或吸收光线,科学家们只能通过它对可见物质、辐射及宇宙结构形成的引力影响来推测其存在。
研究暗物质不仅可以帮助我们理解宇宙的组成和演化,更有助于解答一系列重大科学问题,如重力、粒子物理等领域中的基本原理。
近年来重要实验回顾1. LUX-ZEPLIN实验LZ探测器设计上占地数十米,由数千千克液态氙组成,能够通过闪烁光信号和电离信号捕捉到可能与暗物质粒子发生碰撞时所产生的微弱信号。
根据预测,LZ将在未来几年内产生比之前更为精确的结果,为我们寻找低质量的暗物质粒子提供新的机会。
2. XENONnT实验XENONnT是另一项采用液态氙技术的大型实验,由意大利、美国等多个国家的科研团队共同参与,其主要目标也是直接探测暗物质。
XENONnT于2020年正式启动,是XENON100项目的继任者,具有更高的灵敏度,通过增强的探测器技术,预计可以探测到相较之前数量级更低的暗物质信号。
此实验正在意大利Gran Sasso国家实验室进行,通过深入地下实验室,以屏蔽宇宙射线背景噪音,力求能够提升对潜在暗物质粒子的检测效率。
研究者们希望,在未来几年里能够确认或者排除某些类型的新兴理论,为我们提供更为详尽的信息。
3. PandaX实验PandaX(“Panda X-1”)是由中国科学院高能物理研究所主办的一项国际合作项目,其重点关注利用液态氙作为探测介质来探测暗物质粒子。
关于暗物质的一些简要介绍暗物质是理论上提出的一种可能存在于宇宙中的不可见物质,它可能是宇宙物质的主要组成部分,但又不属于构成可见天体的任何一种已知的物质。
一、定义与性质(一)定义:暗物质是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。
(二)性质:1、引力作用:暗物质具有引力,是宇宙中引力的主要来源之一。
2、质量与惯性:暗物质具有质量,也有惯性。
3、高度稳定性:暗物质高度稳定,基本不会演变成其他物质,除非在极度条件下(如宇宙形成伊始或宇宙收缩末期)才可能演变。
4、运动速度:暗物质的运动速度远低于光速,属于“冷暗物质”。
只有极少数热暗物质,其速度接近光速,如中微子。
5、相互作用:粒子型暗物质除了引力之外,还可能有弱相互作用,但基本不参与电磁作用和强相互作用。
6、黑洞型暗物质:具有黑洞的性能,但由于是超级微小型,所以除了外显引力外,基本不和其他物质发生别的作用。
二、观测证据(一)星系旋转曲线:观测发现,漩涡星系中外围天体的运行速度与内部天体近乎相同,远高于仅考虑可见物质时的预期。
这暗示着星系中存在着大量不可见的物质,即暗物质。
(二)引力透镜效应:通过观测背景星系团时的引力透镜效应,可以间接证明暗物质的存在。
(三)宇宙微波背景辐射:宇宙微波背景辐射的各向异性等观测结果也支持暗物质的存在。
三、理论与假设(一)组成成分:一种被广泛接受的理论认为,暗物质可能由“弱相互作用有质量粒子”(WIMP)组成,其质量和相互作用强度在电弱标度附近。
此外,也有假说认为暗物质是由其他类型的粒子组成,如轴子、惰性中微子等。
(二)宇宙学作用:暗物质在宇宙学和物理学中具有重要作用,如解释宇宙结构、宇宙加速膨胀等现象。
四、研究现状(一)探测技术:科学家们正在利用各种先进的探测技术(如射电望远镜、空间探测器等)来寻找暗物质的踪迹。
(二)国际合作:暗物质研究是一个全球性的科学课题,需要各国科学家携手合作。
暗物质与暗能量什么是暗物质暗物质(Dark Matter)是一种比电子和光子还要小的物质,不带电荷,不与电子发生干扰,能够穿越电磁波和引力场,是宇宙的重要组成部分。
暗物质的密度非常小,但是数量非常庞大。
自从牛顿发现了万有引力定律以来, 人们就一直尝试用引力理论来解释各种天体的运动规律, 在这个过程中, “暗物质”的概念很早就已经形成了。
现代意义下的暗物质概念是瑞士天文学家家弗里兹·兹威基(Fritz Zwicky)早在1933 年研究后发星系团中星系运动的速度弥散时就提出来了。
他根据所测得的星系速度弥散并应用维理定理得到了后发星系团的质光比, 发现其比太阳的质光比要大400 倍左右。
1934 年,他在研究星系团中星系的轨道速度时,为了解释“缺失的物质”问题而正式提出了暗物质的概念.但当时并没引起太多的关注,直到40 年后,人们在研究星系中恒星的运动时遇到类似的困难: 人们发现如果仅考虑可见( 发光) 物体彼此之间的相互吸引力,那么各式各样的发光天体( 包括恒星、恒星团、气状星云,或整个星系) 运动的速度要比人们预想的快一些。
暗物质存在最直接的证据来自于漩涡星系旋转曲线的测量。
通常测量的旋转曲线在距离星系中心很远的地方会变平, 并且一直延伸到可见的星系盘边缘以外很远的地方都不会下降。
如果没有暗物质存在, 很容易得到在距离很远的地方旋转速度会随距离下降: v(r)= GM(r)! r ∝1!r因此, 平坦的旋转曲线就意味着星系中包含了更多的物质。
2003 年,Wilkinson 微波背景各向异性探测( WMAP) 、Sloan数字巡天( SDSS) 和最近的超新星( SN) 等天文观测以其对宇宙学参数的精确测量,进一步有力地证实了暗物质的存在.这在人类探索宇宙奥秘和物质基本结构的道路上无疑是一个光辉的成就.最新数据显示,在宇宙能量构成中,暗能量占72%,暗物质占23%,重子类物质只占了5%左右.暗物质的探测暗物质的探测可以分为如下3 种方法。
三体里面的科学术语
1. 人类文明:指地球上人类所创造的文明和技术。
2. 天文学:研究宇宙中的物体、结构和演化等的科学。
3. 三体问题:三个质量的点在互相引力作用下的运动问题,是一个经典力学问题。
4. 立方体:六个面都是正方形的多面体。
5. 正交坐标系:具有互相垂直的三个坐标轴的坐标系。
6. 量子力学:研究微观粒子的物理规律的一门学科。
7. 干涉:两个波形的相遇,形成一种合成波形式。
8. 黑暗森林法则:宇宙中智慧生命之间存在的恶性竞争法则。
9. 开普勒定律:描述行星绕太阳运动的物理规律。
10. 脉冲星:一种特殊的恒星,通常是超新星爆发后留下的极为紧凑的星体。
11. 基因组:指一个生物体内全部基因的总称。
12. 引力波:质量运动时,产生的传播性的重力扰动。
13. 等离子体:气体中电离后得到的热带电介质。
14. 量子纠缠:两个量子系统之间产生一种特殊的联系,即使远距离分离也会产生类似的状态。
15. 内卫星:围绕行星运行的小型天体。
【反引力是暗能量的替代品】希格斯量子引力统一暗能量当科学家在1998年发现宇宙正以加速中的速率膨胀时,暗能量能解释这种观测结果的可能性引发了关注。
但在理解暗能量实际上是什么时,却没有多大进展,因此对某些科学家来说,这个想法反到成了一种问题而非解答。
意大利INAF的物理学家马萨莫·瓦莱塔表示,这个概念对标准宇宙论而言是一种特例元素,并且缺乏任何物理意义。
瓦莱塔是寻求宇宙加速扩张新解释的众多科学家之一,那涉及反引力的某些形态。
“宇宙空洞在观测上众所周知,而且在我们宇宙的组成中构成了最庞大的结构,”瓦莱塔表示:“但问题在于,它们是否真是空的?还是包含了具有反引力性质的反物质?”瓦莱塔指出,反物质可能藏匿在这些广大的空洞中,因相互排斥而与物质分开。
如同他先前的解释,物质与反物质问的斥力是广义相对论的预测之一。
在这种情况下,物质具有正重荷,而反物质则有假想的负重荷。
结果,物质与反物质在重力上都是自我吸引而非排斥。
事实上,物质与反物质之间的斥力可能相当强大,瓦莱塔算出,那可能是宇宙加速膨胀的原因,且排除暗能量与可能的暗物质的需求。
这种形态的反引力甚至在理论上都能解释某些连暗能量也无法解释的观测。
最近,科学家观测到一种异常的“局部层”,是包括银河系及其他附近星系的宇宙部分。
这一局部层的速度和宇宙其他部分明显不同。
天文学家已确认三种造就局部层速度的分量:一是由于众所周知的、来自邻近稠密的处女座星系团的吸力;第二种分量被认为是由于半人马座星系团的吸引力;而第三种分量则是所谓的局部速度异常。
瓦莱塔说,第三种和前两种吸引力明显不同,很可能是反引力。
据他推测,在某个巨洞中存在一种合理的反物质,由于互斥的万有引力作用,造成了局部速度异常。
在这种方式下,反物质的表现就像我们周围的暗能量。
在宏观尺度上,众多反物质空洞能驱使宇宙的扩张而不需要暗能量,甚至可能也不需要大爆炸(这意味着循环的宇宙)。
这一新理论还暗示了,我们的宇宙具有等量的物质和反物质,正像标准宇宙模型所预期的那样。
奇异粒子揭秘中微子的神秘面纱中微子被誉为“幽灵粒子”,因为它们几乎不与物质发生相互作用,导致其被发现和研究变得极其困难。
尽管已经有大量关于中微子的理论研究,但科学家们一直在寻找更直接的证据,以揭开这种奇异粒子的秘密。
本文将探讨中微子的基本特性,它们在天文学和宇宙学中的重要性,以及最新的研究进展如何揭示它们的神秘面纱。
中微子的基本特征中微子是亚原子粒子,与电子、质子和中子一样属于基本粒子。
其质量极小,最早在20世纪30年代由物理学家沃尔夫冈·泡利提出,作为β衰变过程中所需的能量守恒和动量守恒的一个解释。
中微子不带电荷,仅通过弱相互作用与其他粒子发生相互作用,这使得它们难以探测。
根据标准模型,中微子有三种类型(或味道):电子中微子(νₑ)、缪中微子(νₘ)和陶中微子(νₘ)。
每种粒子都有其对应的“伴侣”粒子,例如电子、缪子和陶子。
这些中微子的转化以及它们的质量层次结构与宇宙中的许多现象有关。
中微子的质量首次被发现是在1998年,通过日本超级神冈探测器对太阳中微子的观察,证实了中微子的振荡现象,这意味着它们可以在不同类型之间转换。
中微子与宇宙学中微子的研究不仅停留在基础物理的层面,它们对宇宙学的理解也起到了关键作用。
早期宇宙的演化阶段,中微子是重要的组成部分之一。
它们在宇宙大爆炸后不久形成并一直存在至今,占据了宇宙物质中的一部分。
同时,中微子的性质对于解释暗物质的本质也提供了线索。
暗物质是宇宙中另一种神秘成分,其存在通过引力效应表现出来,并且目前尚未有直接观测到的证据。
一些理论建议,少量重中微子可能与暗物质有关。
通过精确测量中微子的性质,科学家们希望揭开这一谜团,并进而了解宇宙的组成。
奇异粒子的发现与研究近年来,在中微子研究领域出现了一系列突破。
其中,奇异粒子的概念引起了极大的关注。
这些粒子通常具有非平凡的内部结构,在某种条件下会显现出不同于常规粒子的性质。
科学家们提出,这些奇异粒子的存在可能导致中微子的质量变化,甚至影响它们的振荡行为。
宇宙中的暗物质是指一种我们无法直接观测到的物质,但可以通过其引力作用来推测其存在。
目前,科学家们普遍认为暗物质占据了宇宙中大约85%的质量,而我们所知道的普通物质只占据了宇宙总质量的约5%。
寻找暗物质对于我们理解宇宙的本质、结构和演化过程具有重要意义。
暗物质的存在可以解释一些宇宙学上的谜题。
例如,星系团的形成和演化需要大量的质量来维持它们的形状和运动状态。
这些星系团内部的恒星和气体只能提供有限的质量,因此我们需要额外的物质来解释它们的行为。
暗物质的存在可以填补这个空白,并为星系团的形成和演化提供一个合理的解释。
暗物质还可以影响宇宙的大尺度结构形成。
在宇宙早期,暗物质通过引力作用对气体进行聚集,形成了我们现在看到的大尺度结构,如星系、星系团和超星系团等。
如果没有暗物质的影响,这些结构的形态和分布可能会完全不同。
了解暗物质的性质可以帮助我们更好地理解宇宙的大尺度结构形成和演化过程。
暗物质还可能与黑洞等极端天体有关。
黑洞是一种极其密集的天体,其引力非常强大,甚至连光都无法逃脱。
由于暗物质的存在可以增加星系团和星系内部的密度,因此它也可能是黑洞形成的重要因素之一。
通过研究暗物质与黑洞的关系,我们可以更好地理解黑洞的形成和演化过程。
尽管暗物质的重要性已经得到了广泛的认可,但目前我们仍然无法直接观测到它。
寻找暗物质需要使用多种不同的方法和技术。
其中最常用的方法是通过测量暗物质对周围物体的引力作用来推断其存在。
例如,科学家们可以通过测量星系团内部恒星的运动速度来计算出暗物质的质量和分布情况。
还有一些其他的方法和技术正在被研究和发展,如利用暗物质粒子与普通物质粒子相互作用所产生的信号来探测暗物质等。
寻找暗物质对于我们理解宇宙的本质、结构和演化过程具有重要意义。
虽然目前我们仍然面临许多困难和挑战,但随着技术的不断进步和新的发现的出现,相信我们最终能够找到足够的证据来证实暗物质的存在并深入研究它的性质。
暗物质是宇宙中最神秘的物质之一,它不与电磁波相互作用,因此无法直接观测到。
科学家们通过观测宇宙的引力效应和其他现象,推断出宇宙中存在着大量的暗物质。
本文将详细介绍暗物质的基本概念、性质和研究进展。
我们需要了解暗物质是什么。
简单来说,暗物质是一种未被发现的新型物质,它不与电磁波相互作用,因此不会发出或反射光线。
但是,暗物质会对周围的物体产生引力作用,这种引力作用可以通过观测宇宙中的星系、星云等天体来推测出来。
据估计,宇宙中的暗物质占据了总质量的约85%,而我们所熟知的普通物质只占15%。
暗物质有哪些性质呢?目前科学家们对暗物质的研究还比较有限,但已经发现了一些基本的性质。
暗物质具有极高的密度,比普通物质还要密集得多。
例如,如果我们将一吨的普通物质放在一个球体内,它的体积将会很大;但如果我们将同样重量的暗物质放在同样的球体内,它的体积将会非常小。
暗物质的质量分布不是均匀的,而是呈现出一些微弱的分布模式。
这些分布模式可以通过对星系、星云等天体的引力作用进行测量来推测出来。
尽管暗物质仍然是一个谜团,但科学家们已经开始对其进行深入的研究。
目前,最常用的方法是通过观测宇宙中的引力效应来推测暗物质的存在。
例如,科学家们可以观测到星系旋转的速度和轨道形状是否受到暗物质的影响。
还有一些实验正在进行中,例如利用地下探测器探测暗物质粒子的碰撞过程等。
除了观测和实验之外,还有一些理论模型可以用来解释暗物质的存在。
其中最著名的模型是“冷暗物质模型”,该模型认为暗物质是由一种称为“冷暗子”的基本粒子组成的。
这些粒子不参与强相互作用,因此无法与其他粒子发生碰撞,从而保持了极低的温度和密度。
另一种模型是“轴子模型”,该模型认为暗物质是由一种称为“轴子”的基本粒子组成的。
这些粒子具有负电荷和零自旋,因此不会与普通物质发生相互作用。
暗物质是宇宙中最神秘的物质之一,其存在对于我们理解宇宙的本质和演化过程至关重要。
尽管我们对暗物质的认识还很有限,但随着科学技术的不断进步和发展,相信我们会逐渐揭示出宇宙的秘密。
arXiv:hep-ex/0509004v2 18 Sep 2005DIRECTSEARCHESFORDARKMATTERPARTICLES:WIMPSANDAXIONS
IGORG.IRASTORZACEA,Centred’EtudesNucl´eairesdeSaclay,DSM/DAPNIA,91191Gif-sur-YvetteCedex,FranceE-mail:Igor.Irastorza@cern.ch
WIMPsandaxionsarethetwobestmotivatedcandidatestocomposetheDarkMatteroftheUniverse.Animportantnumberofexperimentalgroupsaredevel-opingandusingdifferenttechniquesfortheirdirectdetection.Anupdatedreviewofcurrentsearchesisdone,emphasizinglatestresults.
1IntroductionSincefirstsuggestedbyZwickyinthe1930s,theexistenceofaninvisibleandunconventionalmatterasadominantpartofourUniversehasbeensupportedbyaneverincreasingbodyofobservationaldata.Thelatestprecisioncosmol-ogymeasurements1furtherconstrainthegeometryoftheUniversetobeflat(Ω∼1±0.04),anditscomposition(tothelevelofafew%)tobemostlydarkenergy(ΩΛ∼73%)andnon-baryonicdarkmatter(ΩNB∼23%),leavinglessthan∼4%forordinarybaryonicmatter.DarkenergyisatheoreticalconceptrelatedtoEinstein’scosmologicalconstant,thenatureofwhichisessentiallyunknown.Darkmatter,onthecontrary,couldbecomposedbyelementaryparticleswithrelativelyknownproperties,andwhichcouldbesearchedforbyavarietyofmeans.Theseparticlesmusthavemass,beelectricallyneutralandinteractveryweaklywiththerestofmatter.TheymustprovideawayofbeingcopiouslyproducedintheearlystagesoftheUniverselife,sotheyfilltheabove-mentioned∼23%oftheUniversecontents.Neutrinosaretheonlystandardparticlesfittinginthatscheme,butthehypothesisofneutrinosbeingthesolecomponentofdarkmatterfailstoreproducepartofthecosmo-logicalobservations,inparticularthecurrentstructureoftheuniverse.Thedarkmatterproblemisthereforesolvedonlybygoingintomodelsbeyondthestandardmodelofelementaryparticles,amongwhichtwogenericcategoriesemergeasthebestmotivatedforthetask:WIMPsandaxions.WIMPisagenericdenominationforanyWeaklyInteractingMassiveParticle.AtypicalexampleofWIMPisthelightestsupersymmetricparticle(LSP)ofSUSYextensionsofthestandardmodel,usuallytheneutralino.TheywouldhavebeenthermallyproducedaftertheBigBang,cooleddownandthenfrozenoutofequilibriumprovidingarelicdensity2,3.TheinterestingmasswindowfortheWIMPsspansfromafewGeVuptothe∼TeVscale,butcanbefurtherconstrainedforspecificmodelsandconsiderations.Axions,onthecontrary,arelightpseudoscalarparticlesthatareintro-ducedinextensionsoftheStandardModelincludingthePeccei-Quinnsymme-tryasasolutiontothestrongCPproblem4.Thissymmetryisspontaneouslybrokenatsomeunknownscalefa,andtheaxionistheassociatedpseudo-Goldstoneboson5,6.TheaxionframeworkprovidesseveralwaysforthemtobeproducedcopiouslyintheearlystagesoftheUniverse,whichmakesitaleadingcandidatetoalsosolvethedarkmatterproblem7,8.ThehypothesisofaxionsorWIMPScomposingpartiallyortotallythemissingmatteroftheUniverseisspeciallyappealingbecauseitcomesasanadditionalbonustowhattheseparticleswereoriginallythoughtfor,i.e.theyarenotdesignedtosolvethedarkmatterproblem,buttheymaysolveit.Inaddition,theexistenceofWIMPsoraxionscouldbeatreachofthesensitivityofcurrentornearfutureexperiments,andthishastriggeredaveryimportantexperimentalactivityinthelastyears.Inthefollowingpagesareviewisgivenofthecurrentexperimentaleffortstodetecttheseparticlesbydirectmeans,i.e.aimingattheirdirectinteractionwithterrestrialdetectors.Indirectmethods,likethoselookingfortheirdecayproductsinastronomicalorcosmicraysobservationsmayalsoputconstraintsonthepropertiesoftheseparticles9,10,althoughtheysufferfromextradegreesofuncertainties,likethephenomenologydrivingtheaccumulationofdarkmatterparticlesinastrophysicalbodiesandtheirdecayintootherparticles,andtheyareleftoutofthescopeofthepresentreview.
2WIMPsearchesIfWIMPscomposethemissingmatteroftheuniverse,andarepresentatgalacticscalestoexplaintheobservedrotationcurvesofthegalaxies,thespaceatEarthlocationissupposedtobepermeatedbyafluxoftheseparti-clescharacterizedbyadensityandvelocitydistributionthatdependonthedetailsofthegalactichalomodel11,12,13.Acommonestimate14(althoughprobablynotthebestone)givesalocalWIMPdensityof0.3GeV/cm3andamaxwellianvelocitydistributionofwidthvrms≃270km/s,truncatedbythegalacticescapevelocityvesc≃650km/sandshiftedbytherelativemotionofthesolarsystemthroughthegalactichalov0=230km/s.ThedirectdetectionofWIMPsreliesonmeasuringthenuclearrecoilproducedbytheirelasticscatteringofftargetnucleiinterrestrial–usuallyunderground–detectors17.Duetotheweaknessoftheinteraction,theex-