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2017年11月13日
科技-時事--被發現了?
近來,一篇關於暗物質粒子可能被發現的報導引起了許多科學愛好者的注意。事實上,這個報導發生在今年七月份,而目前尚無更多相關的進展,相關的論文引用量至今為0,閱讀量也少得可憐,也就是說,這是否是科學家們追尋已久的暗物質,目前科學界尚無定論,而且幾乎都持消極態度。但是這並不妨礙我們學一些有關暗物質的東西。

暗物質何處尋
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暗物質簡介
為了便於第一次閱讀有關暗物質文章的讀者理解,本文的第一部分將沿用筆者的《國際暗物質日》一文,已經讀過這篇文章的讀者可以直接跳過或者復習一遍。
暗物質(Dark Matter),顧名思義,是一種看不見摸不到的物質。它是一種與我們所熟知的重子、光子等組成的物質不同的物質。它不參與電磁相互作用,因此無法利用光學方法直接觀測。根據其運動速度分類,暗物質可分為熱暗物質、溫暗物質和冷暗物質。熱暗物質指的是達到相對論速度的那些暗物質。一般說的暗物質,指的是冷暗物質。
冷暗物質的存在有幾個觀測證據,其中最主要的一個就是星系旋轉曲線觀測,即發現了星系旋轉曲線,和開普勒第三定律,或者說和牛頓萬有引力所預言的不一致。1978年,著名女天文學家魯賓發表了重要的論文,發表了她研究過的10個星系中的7個的旋轉速率。如果可見物質是唯一的物質的話,這個曲線將向右側急轉直下。然而,扁平的曲線暗示著如果我們對引力的理解是正確的,星系中一定有看不見的物質存在。
而另一個重要的觀測證據則是子彈星系。在星系的旋轉曲線的觀測成果剛出來的時候,曾經有一群科學家試圖修正牛頓引力(MOND)以解釋這種反常的現象,然而子彈星系的觀測給MOND理論頭上潑了盆冷水。當然,現在MOND理論又以另一種方式復活了,限於篇幅在此暫時不提。

暗物質存在的觀測證據,與魯賓的論文中的曲線類似
按照宇宙大爆炸模型,如果沒有暗物質,那麼星系會形成得很慢。因為暗物質相當於給星系提供一個支架,即暗物質暈,沒有支架怎麼蓋房子?按照大爆炸模型,重子脫耦是在宇宙大爆炸38萬年之後,這個時間太晚了,如果只有重子物質的話,那麼現在星系還沒形成呢,也不會有我們的地球,更不會有人類了。
那麼,假設暗物質參與的短程力相互作用的強度和弱相互作用很類似,或者乾脆就是弱相互作用,而且暗物質粒子的品質大約是100GeV到1TeV的話,那麼恰好和現在普朗克衛星的數據一致。這就是常說的WIMP模型。因此,科學家們就從這一點出發,來設計實驗探測暗物質。
暗物質探測的三種方法分別是加速器、直接探測和間接探測。間接探測指的是,在空間中通過探測暗物質粒子衰變或湮滅產生的穩定粒子來尋找和研究暗物質粒子。我們周圍到處都有暗物質,因此也能做直接探測。而地下實驗室是開展粒子物理學、天體物理學及宇宙學等領域一些重大基礎性前沿課題的重要研究場所,在四川錦屏山下,清華大學和上海交通大學等研究機構的學者和工程師們正在努力探索暗物質的秘密。
而對撞機探測則是,讓已知的粒子對撞,如果真撞出來和暗物質的模型所預言的一樣的信號,那就認為是探測到暗物質了。不過對撞機現在主要的任務還是尋找超對稱粒子。

如果暗物質能看到
2
有關本次暗物質粒子的發現
此次暗物質粒子的研究對象是類軸子粒子。所謂的軸子(axion),是物理學家們構建的又一個暗物質理論模型,即一種超出標準模型的基本粒子。當然,它和上文提到的WIMP模型一樣,屬於冷暗物質。
軸子是為了解決量子色動力學(QCD)中的強CP問題而提出的。量子色動力學是研究強相互作用,即原子核內核子——質子和中子的結合的相互作用的一種理論。我們都知道,質子、電子等粒子帶有電荷,但是你知道誇克、膠子等粒子帶有色荷嗎?當然這並非是真正的顏色,而是一種方便的叫法,就好比公孫龍名字叫龍,但他並不是真正的龍。而色荷之所以這樣命名,據說是科學家們在吃霜淇淋球的時候想出的。
而強CP問題,或者說CP破壞,指的是電荷宇稱不守恆問題。軸子便是為了解決這個問題而提出的。但是目前對軸子的研究尚無定論,軸子甚至曾一度被科學家們判死刑。
而這個相關報告的研究者們分析了大量伽馬射線源,得到了很優美的擬合圖形。然而優美歸優美,科學最後還是要靠事實說話。暗物質之謎究竟何日揭曉?革命尚未成功,同志仍需努力啊。

該報告的PPT截圖
3
粒子天體物理
暗物質、暗能量、宇宙射線,這些不同的研究領域可以歸結到一個大的家庭中——粒子天體物理。
乍一聽,這個詞似乎很難以理解——最小的粒子和最大的天體竟然毫無違和感地放在了一起。事實上,粒子天體物理,或者叫天體粒子物理,顧名思義,是粒子物理學的一個分支,研究基本粒子與天體物理學和宇宙學的關係。它也可以看做是粒子物理學、天文學、天體物理學、探測器物理學、相對論、固體物理學和宇宙學的交叉領域,是一個相對較年輕的研究領域。在中微子振盪的歷史性發現的推動下,這一領域在過去的十年裏在理論上和實驗上都有了飛速的發展。
天體粒子物理學最初主要關注帶電粒子,因為帶電粒子最容易也最方便探測到。而目前,大部分的研究都涉及中性粒子,即中微子、光子、暗物質,甚至包括目前尚無蹤跡的引力子。
新竹國立清華大學的物理學家耿朝強教授曾說,我們對於宇宙的認識,可謂“知道的很多,但瞭解的很少”。現代粒子物理發展數十年,它的研究領域已經超出了它的名字本身。從量子力學建立之後的萌芽階段,到上世紀60年代70年代的粒子物理英雄時代,再到標準模型一統江湖,再到現在的超越標準模型時代,粒子物理一直是物理學界最有活力的研究領域之一。而我們對於宇宙的探索的終點,或許就在這些最小也最神秘的粒子上。
於17年11月發佈



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