1、 科技手抄報(bào)暗物質(zhì)里藏著宇宙質(zhì)量之謎 在國(guó)際空間站上守望太空的阿爾法磁譜儀(AMS)，“上崗”一年多來(lái)讓物理學(xué)家忙個(gè)不停。2月20日，該項(xiàng)目的提出者和首席科學(xué)家丁肇中透露，AMS首批數(shù)據(jù)的分析報(bào)告將在幾周內(nèi)發(fā)表，很可能將是暗物質(zhì)研究的階段性突破。 繼去年宣布發(fā)現(xiàn)“疑似上帝粒子”之后，暗物質(zhì)正成為物理學(xué)界著力攻打的前沿目標(biāo)，相關(guān)消息和猜想不時(shí)見(jiàn)諸媒體。那么，暗物質(zhì)究竟有多“暗”，物理學(xué)家又是如何計(jì)劃用科學(xué)之光去照“亮”它呢? 20世紀(jì)30年代，瑞士天文學(xué)家弗里茲茨威基(Fritz Zwicky)研究了距離我們約兩億光年的COMA星系團(tuán)，他先測(cè)量了星系團(tuán)中各個(gè)星系的亮度，通過(guò)已知的亮度和質(zhì)量的關(guān)系

2、，得出了可以看見(jiàn)的星系團(tuán)質(zhì)量。接下來(lái)，他又測(cè)量了各個(gè)星系的公轉(zhuǎn)速度以及它們到星系團(tuán)中心的距離，通過(guò)萬(wàn)有引力定律計(jì)算出了星系團(tuán)的總質(zhì)量。他發(fā)表了一個(gè)驚人結(jié)果：在星系團(tuán)中，看得見(jiàn)的星系只占總質(zhì)量的1/300以下，而99%以上的質(zhì)量是看不見(jiàn)的，只能通過(guò)引力“感覺(jué)”到它們的存在。 為什么要尋找暗物質(zhì)? 在宇宙學(xué)中，暗物質(zhì)(dark matter)又稱(chēng)為暗質(zhì)，是指無(wú)法通過(guò)電磁波的觀測(cè)進(jìn)行研究，也就是不與電磁力產(chǎn)生作用的物質(zhì)。暗物質(zhì)不發(fā)光，也不反射光，無(wú)論用什么波段的光，都找不到它們。 然而科學(xué)家卻相信，暗物質(zhì)是確實(shí)存在的。這是因?yàn)橘|(zhì)量泄露了它們的蛛絲馬跡。 1933年，瑞士天文學(xué)家茲威基通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，按

3、照引力定律，所觀察的星系“質(zhì)量不夠”，不足以使其凝聚在一起。此后幾十年中科學(xué)家對(duì)宇宙膨脹速度的測(cè)量、星系形成過(guò)程的模擬，也表明宇宙的總質(zhì)量應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于已知物質(zhì)的總質(zhì)量。 這些現(xiàn)象迫使天文學(xué)家和物理學(xué)家提出，宇宙中存在“暗物質(zhì)”和“暗能量”，這些暗物質(zhì)并不是由現(xiàn)有物理標(biāo)準(zhǔn)模型中的粒子所構(gòu)成的。暗物質(zhì)只參與引力作用，讓恒星、星系和宇宙能成為今天我們所能看到的樣子;而不參與電磁力作用，因此使用傳統(tǒng)的手段無(wú)法探測(cè)。 目前的測(cè)算表明，組成人們已知物質(zhì)的質(zhì)子、中子、電子等粒子，只占宇宙的4%5%，而暗物質(zhì)則占了宇宙的23%，還有72%73%是一種導(dǎo)致宇宙加速膨脹的暗能量。也就是說(shuō)，宇宙中絕大部分的物質(zhì)和能

4、量，對(duì)今天的科學(xué)來(lái)說(shuō)都屬于未知。如果能找到暗物質(zhì)，將使人類(lèi)對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)向前邁進(jìn)一大步，了解到更加深遠(yuǎn)的物質(zhì)世界。 AMS如何尋找暗物質(zhì)? 為了尋找暗物質(zhì)，被稱(chēng)為“史上最昂貴的太空實(shí)驗(yàn)”的阿爾法磁譜儀(AMS)應(yīng)運(yùn)而生。該項(xiàng)目由美國(guó)華裔物理學(xué)家、諾獎(jiǎng)得主丁肇中在1990年代中期提出，造價(jià)20多億美元，重達(dá)7噸，于2011年5月由即將退役的“奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)發(fā)射升空，被放置在國(guó)際空間站上。 AMS是一個(gè)國(guó)際項(xiàng)目，核心部件就是由中國(guó)科學(xué)家研發(fā)制造的永磁體及反符合計(jì)數(shù)器。永磁體會(huì)使帶電粒子的運(yùn)行軌道發(fā)生拐彎，通過(guò)測(cè)量彎曲程度，配合其他儀器測(cè)出的粒子質(zhì)量、動(dòng)量，就可以知道捕獲了何種粒子。AMS的一個(gè)重要

5、任務(wù)，就是驗(yàn)證暗物質(zhì)到底由什么粒子組成。 AMS在最初18個(gè)月中，采集了250億次粒子事件。2月20日，擔(dān)任項(xiàng)目首席科學(xué)家的丁肇中透露，AMS首批數(shù)據(jù)的分析報(bào)告將在幾周內(nèi)發(fā)表，其成果有望幫助理解暗物質(zhì)的構(gòu)成。 根據(jù)目前比較主流的猜想，暗物質(zhì)是由弱相互作用質(zhì)量子(WIMP)組成的，而WIMP碰撞湮滅，會(huì)放射出日常很難見(jiàn)到的正電子。因此，如能測(cè)量到高比例的正電子，將是對(duì)WIMP暗物質(zhì)理論的一種支持。 據(jù)參與AMS項(xiàng)目的中科院高能物理所研究員陳國(guó)明介紹，AMS首批數(shù)據(jù)的分析顯示，正電子和負(fù)電子的比例曲線在3040GeV(注：eV為電子伏特，是粒子能量單位)區(qū)間開(kāi)始向上，一直到300GeV。這是顯示正

6、電子比例較高的一個(gè)指證。 AMS的數(shù)據(jù)由全球6個(gè)小組分析，并互相“挑錯(cuò)”以達(dá)成一致。陳國(guó)明表示，中國(guó)小組的分析成果成為論文的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。據(jù)介紹，正電子動(dòng)量很高時(shí)，正負(fù)電荷的確定變得不容易;另一方面，正電子和質(zhì)子由于帶電荷相同，也容易混淆。中科院高能所已就此研究了數(shù)年，數(shù)據(jù)分析相當(dāng)精確。 尋找暗物質(zhì)，科學(xué)家紛紛“組隊(duì)” 據(jù)介紹，此次AMS的階段性成果并不能確證暗物質(zhì)的構(gòu)成從理論上，正電子比例較高也有可能是地球附近某種天體現(xiàn)象引起的;也不能排除其他未曾被認(rèn)識(shí)的物理現(xiàn)象的可能性。而在探尋并了解暗物質(zhì)和暗能量的道路上，AMS絕非孤軍奮戰(zhàn)，全球已有多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)和科學(xué)裝置踏上了同樣的征途。 大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(

7、LHC)：在2012年發(fā)現(xiàn)很可能是“上帝粒子”的粒子后，這個(gè)世界最大的粒子加速器將已開(kāi)始為期2年的閉關(guān)檢修和升級(jí)，計(jì)劃于2015年重新開(kāi)通并達(dá)到最大能量，可進(jìn)行每秒100億次的對(duì)撞。暗物質(zhì)則被列為它下一階段的主要探測(cè)目標(biāo)。 格蘭薩索地下實(shí)驗(yàn)室(GRAN SASSO)：位于意大利地下1700米的巖層，擁有目前世界最大的地下實(shí)驗(yàn)大廳，目前正在進(jìn)行DAMA、CRESST、XENON100三項(xiàng)探測(cè)暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)，采用不同方法尋找WIMP碰撞產(chǎn)生的信號(hào)。 低溫暗物質(zhì)搜尋計(jì)劃(CDMS)：實(shí)驗(yàn)裝置位于美國(guó)一個(gè)地下800米處的廢棄地下鐵礦中，通過(guò)將硅、鍺晶體至于極低的溫度環(huán)境中，探測(cè)晶體內(nèi)部粒子與暗物質(zhì)粒子發(fā)生相互作用的振動(dòng)。早在2009年，該實(shí)驗(yàn)就宣布找到了兩例疑似WIMP的信號(hào)事例。 錦屏地下暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室：位于我國(guó)四川西昌的山體隧道中，是目前全世界最深的地下物理實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)大廳上方有2.5公里厚的巖層阻擋宇宙射線，而且是放射性低的大理巖，把環(huán)境干擾降到最低。該實(shí)驗(yàn)計(jì)劃用兩個(gè)實(shí)驗(yàn)尋找WIMP發(fā)出的信號(hào)，目前已開(kāi)始工作。 歐幾里德太空望遠(yuǎn)鏡：由歐洲空間局主導(dǎo)的項(xiàng)目，近日美國(guó)宇航局也宣布參加。該太空望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃于2020年升空，到達(dá)第二拉格朗日點(diǎn)后在6年的任務(wù)期內(nèi)，繪制宇宙中約20億個(gè)星系的分布圖，揭示宇宙間暗物質(zhì)、暗能量的真