從天王星運(yùn)動(dòng)到星系團(tuán)中的稀土

從天王星運(yùn)動(dòng)到星系團(tuán)中的稀土

1物質(zhì)存在的來源自從牛頓發(fā)現(xiàn)了重力定律以來，人們開始解釋各種身體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)法。在這個(gè)過程中，黑暗的概念已經(jīng)形成。比如,對(duì)于天王星運(yùn)動(dòng)異常的解釋導(dǎo)致法國天文學(xué)家勒威耶(UrbainLeVerrier)和英國天文學(xué)家J.C.亞當(dāng)斯(J.C.Adams)猜測(cè)到海王星的存在,并最終于1846年由J.G.伽勒(J.G.Galle)發(fā)現(xiàn)了海王星。由行星運(yùn)動(dòng)異常而猜測(cè)到另外一顆未被發(fā)現(xiàn)行星的存在非常類似于今天我們關(guān)于暗物質(zhì)的認(rèn)識(shí)過程。目前從星系到宇宙學(xué)尺度的觀測(cè)都發(fā)現(xiàn)可觀測(cè)物體運(yùn)動(dòng)的異?，F(xiàn)象,這表明可能存在我們還沒有“看見”的物質(zhì),即暗物質(zhì),它們通過引力效應(yīng)影響了可見物體的運(yùn)動(dòng)。現(xiàn)代意義上的暗物質(zhì)概念最早是由瑞士天文學(xué)家F.扎維奇(F.Zwicky)提出的。1933年F.扎維奇研究后發(fā)星系團(tuán)中星系運(yùn)動(dòng)的速度彌散,他根據(jù)所測(cè)得的星系速度彌散并應(yīng)用維理定理得到了后發(fā)星系團(tuán)的質(zhì)光比,發(fā)現(xiàn)其比太陽的質(zhì)光比要大400倍左右。今天,天文學(xué)家有許多辦法可以測(cè)定星系團(tuán)的質(zhì)量,如通過弱引力透鏡效應(yīng),通過團(tuán)內(nèi)熱氣體的X射線發(fā)射輪廓以及通過徑向速度分布等。20世紀(jì)70年代,美國天文學(xué)家V魯賓(V.Rubin)通過對(duì)旋渦星系的詳細(xì)觀測(cè),使得“暗物質(zhì)”這個(gè)概念得到了科學(xué)界的認(rèn)可。漩渦星系旋轉(zhuǎn)曲線的測(cè)量是暗物質(zhì)存在最直接的證據(jù)。2006年錢德拉X-射線望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到兩個(gè)星系團(tuán)的合并,發(fā)現(xiàn)星系團(tuán)中發(fā)光的熱氣體(由X-射線像確定其位置)和兩個(gè)星系的質(zhì)量中心(由引力透鏡觀測(cè)確定其位置)并不重合。這一現(xiàn)象被認(rèn)為是暗物質(zhì)存在的直接證據(jù),這是因?yàn)榭梢姷闹刈游镔|(zhì)之間由于摩擦力而互相黏滯,但暗物質(zhì)粒子可以相互通過,從而造成星系團(tuán)中暗物質(zhì)和重子熱氣體在空間上分離成兩團(tuán)。這個(gè)結(jié)果引起了學(xué)界的廣泛關(guān)注,因?yàn)檫@基本排除了通過修改引力理論來解釋所觀察到的異?，F(xiàn)象的途徑。近年來由于WMAP衛(wèi)星對(duì)微波背景(CMB)各向異性的精確測(cè)量,我們可能通過擬合WMAP的數(shù)據(jù)精確確定宇宙中暗物質(zhì)的總量。目前擬合的結(jié)果給出暗物質(zhì)在整個(gè)宇宙中所占的組分大約是22%?？傊?自從暗物質(zhì)的概念提出至今,人們?cè)诟鞣N尺度的天文觀測(cè)中都發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)存在的證據(jù)。目前,暗物質(zhì)的存在已經(jīng)被人們普遍接受,并且成為研究宇宙大尺度結(jié)構(gòu)形成過程的必不可少的要素。暗物質(zhì)的存在是通過天文觀測(cè)發(fā)現(xiàn)的,然而標(biāo)準(zhǔn)模型中不包含能解釋暗物質(zhì)的基本粒子。暗物質(zhì)粒子探測(cè)和研究很可能導(dǎo)致物理學(xué)產(chǎn)生新的革命。目前世界各國都在集中人力、物力和財(cái)力研究這一問題。例如,美國國家研究委員會(huì)由19名權(quán)威物理學(xué)家和天文學(xué)家聯(lián)合執(zhí)筆的2002年的報(bào)告中列出了新世紀(jì)要解答的11個(gè)科學(xué)問題,“什么是暗物質(zhì)”列在第一位。報(bào)告同時(shí)建議美國政府研究機(jī)構(gòu)加強(qiáng)協(xié)調(diào)、集中資源為這些難題尋找答案。目前暗物質(zhì)的探測(cè)實(shí)驗(yàn)正處在蓬勃發(fā)展的階段,未來十年將是暗物質(zhì)探測(cè)的黃金時(shí)代。2物質(zhì)直接探測(cè)由于暗物質(zhì)粒子不與光作用,也不會(huì)發(fā)光,普通的光學(xué)觀測(cè)無法發(fā)現(xiàn)它的蹤跡。為了了解暗物質(zhì)的本質(zhì),目前的探測(cè)方法大致可以總結(jié)為如下三種:第一種方法是在加速器上將暗物質(zhì)粒子“創(chuàng)造”出來,并研究其物理特性。由于暗物質(zhì)粒子即使被“創(chuàng)造”出來,也不會(huì)被探測(cè)器發(fā)現(xiàn),只能通過其他可以看見的粒子來推測(cè)出是否有這樣的粒子產(chǎn)生。雖然暗物質(zhì)粒子不能被直接觀察到,但它一定會(huì)帶走“能量”(“創(chuàng)造”暗物質(zhì)粒子需要能量),因此從丟失的“能量”及其分布可以推測(cè)暗物質(zhì)的某些性質(zhì)。歐洲核子中心(CERN)的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)被認(rèn)為很有可能“創(chuàng)造”出暗物質(zhì)粒子。第二種方法是直接探測(cè)法。該方法是直接探測(cè)暗物質(zhì)粒子和原子核碰撞所產(chǎn)生的信號(hào)。由于發(fā)生碰撞的概率很小,產(chǎn)生的信號(hào)也很“微弱”。為了降低本底,通常需要把探測(cè)器放置在很深的地下。暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)是目前尋找暗物質(zhì)粒子最重要的探測(cè)方式。目前的實(shí)驗(yàn)精度下,我們只可能探測(cè)到弱作用重粒子(WIMP)的信號(hào),而更弱的信號(hào),如軸子、超對(duì)稱引力子是無法用這種方法探測(cè)的。第三種辦法稱為暗物質(zhì)的間接探測(cè)法。間接法是觀測(cè)暗物質(zhì)粒子衰變或相互作用后產(chǎn)生的穩(wěn)定粒子如伽馬射線、正電子、反質(zhì)子、中微子等。根據(jù)目前的理論模型,暗物質(zhì)粒子衰變或相互作用后可能會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的高能粒子,如果我們能夠精確測(cè)量這些粒子的能譜,可能會(huì)發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子留下的蛛絲馬跡。由于地球大氣的影響,在地面上無法精確測(cè)量粒子的能譜,實(shí)驗(yàn)必須要在空間進(jìn)行。3實(shí)驗(yàn)2:國際先進(jìn)技術(shù)助力實(shí)驗(yàn)暗物質(zhì)粒子探測(cè)是目前科學(xué)研究熱點(diǎn),競(jìng)爭(zhēng)激烈。弄清這方面的國際形勢(shì)對(duì)我國發(fā)展暗物質(zhì)探測(cè)很重要。歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是世界上最大的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī),它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是對(duì)撞兩個(gè)反向回旋的質(zhì)子束流,質(zhì)子束流的總能量最高可達(dá)14萬億電子伏特。最新運(yùn)行能量已經(jīng)達(dá)到該能量的一半——7萬億電子伏特,這也是迄今最高能量的質(zhì)子束流對(duì)撞試驗(yàn)。要在加速器上進(jìn)行暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn),需要很高的能量。至今所有的加速器(包括歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī))實(shí)驗(yàn)還沒有發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子的跡象,取得突破必須要能量更高的加速器。根據(jù)我國的經(jīng)濟(jì)實(shí)力,短期內(nèi)建造一個(gè)世界最大的加速器顯然不現(xiàn)實(shí)。目前的發(fā)展必須依靠國際合作,參加國際大加速器實(shí)驗(yàn)。地下直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)國際上已進(jìn)行了數(shù)十年,我國在這方面還是空白。由于暗物質(zhì)粒子產(chǎn)生的信號(hào)很“微弱”,為了降低本底,通常需要把探測(cè)器放置在很深的地下。中意合作DAMA實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)時(shí)間調(diào)制現(xiàn)象,該現(xiàn)象可以解釋地球繞太陽公轉(zhuǎn)的原因:地球與暗物質(zhì)粒子的相對(duì)速度隨季節(jié)變化,在每年的6月份可能通過一個(gè)較高的暗物質(zhì)粒子流強(qiáng),而在每年的12月份可能通過一個(gè)較低的暗物質(zhì)粒子流強(qiáng)。2009年12月18日,CDMS地下實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組宣布,所發(fā)現(xiàn)的2個(gè)事件可能與暗物質(zhì)粒子有關(guān)。CDMS所用的探測(cè)器被埋在美國明尼蘇達(dá)深達(dá)766碼(700米)的地下,周圍的巖石、塑料、鉛、銅和其他物質(zhì)被用來阻止除了暗物質(zhì)之外的正常微粒到達(dá)探測(cè)器,這樣可能與暗物質(zhì)相混淆的宇宙射線和其他粒子就被排除在外了。要確信來自暗物質(zhì),兩個(gè)信號(hào)還是太少了,經(jīng)過計(jì)算得知其中的一個(gè)信號(hào)事件可能來自于背景噪聲。CDMS研究小組打算將他們的探測(cè)器升級(jí)到更為靈敏的水平,以期發(fā)現(xiàn)更為實(shí)質(zhì)性的暗物質(zhì)信號(hào)。目前國際上大約有幾十個(gè)科學(xué)小組在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以期發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)接近普通物質(zhì)原子的那一刻產(chǎn)生的信號(hào),其中XENON100的實(shí)驗(yàn)是靈敏度最高的,如果此前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是正確的,XENON100試驗(yàn)應(yīng)該發(fā)現(xiàn)多個(gè)暗物質(zhì)粒子事件,除非暗物質(zhì)的性質(zhì)與人們以前認(rèn)為的有很大不同。今年5月XENON100實(shí)驗(yàn)公布了其最新觀測(cè)結(jié)果,沒有發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子存在的跡象。這說明暗物質(zhì)比很多人以前認(rèn)為的更難被發(fā)現(xiàn)。地下暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)的主要難點(diǎn)是本底抑制。要將本底降下來,除了選擇合適的實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)外,更主要的是依靠先進(jìn)探測(cè)器技術(shù)。這方面我國與國際先進(jìn)水平還有較大差距。地下實(shí)驗(yàn)要取得突破,首先是掌握國際最先進(jìn)技術(shù),起步階段的實(shí)驗(yàn)可以采用國際先進(jìn)技術(shù)方案。當(dāng)然,采取國際相似方案不可能取得根本性的發(fā)現(xiàn),國外實(shí)驗(yàn)規(guī)模比我們大,開展得也比我們?cè)?地下試驗(yàn)的關(guān)鍵還是在掌握了國際先進(jìn)探測(cè)器技術(shù)后,設(shè)計(jì)出比國外更靈敏的實(shí)驗(yàn)。最新空間間接探測(cè)試驗(yàn)結(jié)果主要來自于FERMI伽馬射線望遠(yuǎn)鏡,PAMELA空間探測(cè)器,ATIC南極氣球?qū)嶒?yàn)等。2009年3月FERMI衛(wèi)星公布其一年半的觀測(cè)數(shù)據(jù),經(jīng)伽馬射線譜線探測(cè),背景分布方面沒有探測(cè)到任何明顯信號(hào)與暗物質(zhì)粒子有關(guān)。另外在電子觀測(cè)方面ATIC、PAMELA、FERMI、HESS幾個(gè)探測(cè)器發(fā)現(xiàn)電子觀測(cè)數(shù)據(jù)與理論模型相比都存在“超”,但“超”的大小并不一致。由于ATIC、FERMI、HESS這三個(gè)探測(cè)器本來都不是用來觀測(cè)電子的,在電子觀測(cè)方面都存在弱點(diǎn),這些差異可能來自儀器的系統(tǒng)誤差。反質(zhì)子觀測(cè)方面,PAMELA上天3年,觀測(cè)到的反質(zhì)子能譜基本與宇宙線次級(jí)能譜吻合很好,沒有探測(cè)到異常特征。當(dāng)然,目前的觀測(cè)結(jié)果由于精度不夠,下結(jié)論還早,需要新的高精度實(shí)驗(yàn)。從目前的發(fā)展趨勢(shì)來看,暗物質(zhì)粒子的觀測(cè)由于其重大的科學(xué)意義,必將是今后的科研熱點(diǎn)。觀測(cè)暗物質(zhì)粒子產(chǎn)生的次級(jí)產(chǎn)物由于其信號(hào)特征明顯成為“AMS”“FERMI”等大科學(xué)工程的主要科學(xué)目標(biāo)。4高能電子探測(cè)的原理暗物質(zhì)粒子空間實(shí)驗(yàn)國際上也是剛剛起步,如果我們能夠選擇合適的切入點(diǎn),加上我國先進(jìn)的航天力量,有可能在短期內(nèi)取得突破,因而應(yīng)該作為我國暗物質(zhì)探測(cè)的優(yōu)先選擇?？臻g探測(cè)的關(guān)鍵是如何選擇合適的探測(cè)粒子對(duì)象。最好的方案是用一個(gè)探測(cè)器可以探測(cè)所有種類的粒子。但要將各種粒子區(qū)分開來,需要大型磁譜儀。AMS02是一個(gè)完美的磁譜儀探測(cè)器,但研制AMS02,時(shí)間要超過10年,經(jīng)費(fèi)要超過20億美元,還需采用大量先進(jìn)探測(cè)器技術(shù),這些超過了我們的能力。所以選擇合適的探測(cè)對(duì)象(粒子類型)是尋找突破點(diǎn)的關(guān)鍵。由于高能伽馬射線不受宇宙空間磁場(chǎng)等其他因素的影響,可以直線傳播,伽馬射線信號(hào)可以追溯到暗物質(zhì)的“源”,所以探測(cè)暗物質(zhì)粒子湮滅產(chǎn)生的伽馬射線是非常重要的探測(cè)暗物質(zhì)粒子的手段。尤其是根據(jù)目前的理論模型,暗物質(zhì)粒子湮滅后可能產(chǎn)生伽馬射線譜線,這將作為暗物質(zhì)粒子產(chǎn)生的最確切的信號(hào)。另外暗物質(zhì)粒子理論模型表明:暗物質(zhì)粒子衰變或湮滅時(shí),會(huì)在宇宙電子或者正電子能譜中產(chǎn)生“顯著特征”。由此,高精度觀測(cè)高能電子或正電子能譜可以間接探測(cè)暗物質(zhì)粒子。從目前已有的觀測(cè)結(jié)果看,高分辨觀測(cè)高能伽馬射線和電子是探測(cè)暗物質(zhì)粒子可能的突破點(diǎn)?？臻g觀測(cè)高能電子和伽馬射線的關(guān)鍵是本底抑制。宇宙伽馬射線和電子流量與宇宙線本底(主要是質(zhì)子和氦核)相比,流量要低百倍以上。如何將伽馬射線和高能電子與宇宙線本底區(qū)分開來是影響實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵。伽馬射線由于其不帶電,可以通過判斷入射粒子是否帶電,將其與宇宙線本底區(qū)分開來。探測(cè)宇宙高能電子是一件困難的事情,區(qū)分電子和宇宙線本底需要特殊探測(cè)器技術(shù)。首先從物理特性上看,電子是輕子,電荷為-1,靜止質(zhì)量為511keV,質(zhì)子是強(qiáng)子,電荷為+1,靜止質(zhì)量為938.27MeV。電子探測(cè)器設(shè)計(jì)主要是探測(cè)這些物理特性,區(qū)分電子和質(zhì)子。目前常用的探測(cè)器技術(shù)是:磁譜儀、穿越輻射探測(cè)器、切倫柯夫成像探測(cè)器、中子探測(cè)器、高分辨圖像量能器、高能量分辨量能器。隨著粒子能量的增加,磁譜儀、穿越輻射探測(cè)器、切倫柯夫成像探測(cè)器的粒子區(qū)分本領(lǐng)會(huì)大大降低,能夠探測(cè)能量在TeV以上電子的探測(cè)器技術(shù)只有中子探測(cè)器、高分辨圖像量能器、高能量分辨量能器。由于電子能譜比宇宙線強(qiáng)子能譜要軟,要探測(cè)TeV以上的高能電子需要將本底至少降低1萬倍以上。而高分辨圖像量能器在TeV以上的區(qū)分本領(lǐng)也不強(qiáng),所以觀測(cè)TeV以上的高能電子主要是依靠高能量分辨量能器。從PAMELA、ATIC、FERMI等實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)看,高能量分辨量能器的粒子區(qū)分本領(lǐng)主要依靠探測(cè)器厚度,厚度越厚,區(qū)分本領(lǐng)越強(qiáng)。增加探測(cè)器厚度,意味著增加探測(cè)器重量?？臻g實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的重量是有限制的,如何在有限的重量限制范圍內(nèi),設(shè)計(jì)出一個(gè)低本底高分辨的探測(cè)器是一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。從上邊可以看出,暗物質(zhì)粒子空間探測(cè)是一件十分復(fù)雜的事情?？茖W(xué)探測(cè)必須要達(dá)到國際先進(jìn)水平,否則意義不大。要達(dá)到國際先進(jìn)水平,必須要采用大量先進(jìn)技術(shù)。采用大量的先進(jìn)技術(shù)后,使得探測(cè)器研制難度增加,探測(cè)器可靠性可能要下降。空間探測(cè)需要花費(fèi)大量的資金,所以可靠性永遠(yuǎn)是擺在第一位的重要考慮。如何處理可靠性與先進(jìn)技術(shù)指標(biāo)之間的矛盾是一個(gè)重要課題。5國內(nèi)關(guān)于物質(zhì)粒子探測(cè)的研究現(xiàn)狀暗物質(zhì)研究是天文學(xué),粒子物理、理論物理的交叉學(xué)科。國際上,美歐日等都將暗物質(zhì)探測(cè)列為21世紀(jì)重大科學(xué)研究的重點(diǎn),國內(nèi)在最近中科院2050創(chuàng)新規(guī)劃路線圖中,將暗物質(zhì)課題列為科學(xué)前沿問題的第一位。無論在實(shí)驗(yàn)探測(cè)還是理論研究方面國內(nèi)都已經(jīng)具備了很好的基礎(chǔ)。國內(nèi)多個(gè)單位都正在開展地下和空間暗物質(zhì)粒子探測(cè)研究。2009年11月24日至26日在北京召開以“空間探測(cè)暗物質(zhì)粒子”為主題的香山科學(xué)會(huì)議,國內(nèi)外四十余位多學(xué)科跨領(lǐng)域的專家學(xué)者與會(huì),圍繞暗物質(zhì)理論研究、暗物質(zhì)空間分布與天文觀測(cè)、暗物質(zhì)粒子空間觀測(cè)、高能電子和伽馬射線的空間觀測(cè)技術(shù)等中心議題進(jìn)行深入討論。與會(huì)專家提出暗物質(zhì)存在已經(jīng)得到天文大尺度觀測(cè)的證認(rèn),可能導(dǎo)致現(xiàn)代物理學(xué)突破,國內(nèi)已有一定的研究基礎(chǔ),具備天時(shí),地利,人和的良好條件,我國必須開展暗物質(zhì)粒子探測(cè)。理論研究方面,國際上很熱,但問題還沒有得到解決,我國理論研究很活躍,在我國未來的實(shí)驗(yàn)研究中,必須加強(qiáng)理論研究和空間探測(cè)工程實(shí)踐的交流,從理論研究中尋找觀測(cè)的重點(diǎn)。在暗物質(zhì)的間接探測(cè)方面,國際上還是主要通過探測(cè)伽馬射