找尋暗物質(zhì)的最新進(jìn)展
——丁肇中主持的AMS項(xiàng)目首批研究成果

本刊資料室

1 暗物質(zhì)存在的發(fā)現(xiàn)

1937年，天文學(xué)家弗·扎維奇（F.Zwick）發(fā)現(xiàn)，大型星系團(tuán)中的星系的運(yùn)動(dòng)速度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出星系團(tuán)核心物質(zhì)形成的結(jié)果，這表明除了人類已知的星系團(tuán)核心物質(zhì)對(duì)該星系的引力外，還存在其他物質(zhì)的引力.這些物質(zhì)觀察不到，故稱為暗物質(zhì).此后，天文學(xué)家通過(guò)引力透鏡、宇宙中大尺度結(jié)構(gòu)形成、微波背景輻射等研究表明：我們目前所知道的物質(zhì)只約占宇宙的4%，暗物質(zhì)則占了宇宙的23%，還有73%是暗能量.

在現(xiàn)代宇宙學(xué)中，暗物質(zhì)是指那些自身不發(fā)射電磁輻射，也不參與電磁相互作用的一種物質(zhì)，是我們已知的粒子（如質(zhì)子、電子、中子等）之外的全新粒子.

2 暗物質(zhì)的探測(cè)

圖1 丁肇中

圖2 阿爾法磁譜儀

目前，物理學(xué)家看好的暗物質(zhì)模型是所謂弱作用重粒子.因?yàn)檫@種粒子與普通物質(zhì)有微弱的相互作用，可以通過(guò)其相互作用效應(yīng)來(lái)進(jìn)行探測(cè).其中又分為間接探測(cè)法和直接探測(cè)法.前者，是探測(cè)暗物質(zhì)相互碰撞產(chǎn)生的普通物質(zhì)粒子信號(hào)，一般通過(guò)地面或太空望遠(yuǎn)鏡探測(cè)；后者，則是用原子核與暗物質(zhì)碰撞產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行探測(cè).丁肇中（圖1）團(tuán)隊(duì)所使用的阿爾法磁譜儀2號(hào)（AMS-02）（圖 2）是目前靈敏度最高，也是最復(fù)雜、最昂貴的一臺(tái)暗物質(zhì)探測(cè)設(shè)備，代表了當(dāng)今科學(xué)實(shí)驗(yàn)的最高技術(shù)手段.

3 阿爾法磁譜儀項(xiàng)目的首批研究成果

諾貝爾獎(jiǎng)得主、美籍華人物理學(xué)家丁肇中4月3日公布了其主持的阿爾法磁譜儀項(xiàng)目的首批研究成果，“阿爾法磁譜儀2”在從2011年5月至2012年12月的運(yùn)轉(zhuǎn)期間，記錄了250億個(gè)宇宙射線事件，已發(fā)現(xiàn)超過(guò)40萬(wàn)個(gè)正電子；實(shí)驗(yàn)觀察到宇宙射線流中正電子存在的比率符合關(guān)于暗物質(zhì)存在的理論預(yù)測(cè)，但目前尚沒(méi)有充分證據(jù)排除其他可能性：即這些正電子有可能來(lái)自人類一直尋找的暗物質(zhì)，也可能來(lái)自銀河系的脈沖星等天體.報(bào)告顯示，在5億至100億電子伏特區(qū)間內(nèi)，正電子占正電子和電子總和的比例隨能量的增加而減少；在100億到2500億電子伏特的區(qū)間內(nèi)，比例遞增；到2500億電子伏特之后，比例曲線基本變平.正電子比例能譜沒(méi)有隨時(shí)間改變，同時(shí)高能正電子不是來(lái)自空間某個(gè)特定的方向.丁肇中指出：以上特征都支持正電子來(lái)源于暗物質(zhì)，可是沒(méi)有完全的證據(jù).要確認(rèn)正電子是由暗物質(zhì)粒子碰撞、湮滅產(chǎn)生的，還需觀測(cè)到正電子比例上升到峰值后是否有驟降.如果觀察到驟降，說(shuō)明來(lái)自暗物質(zhì)對(duì)撞；如緩慢下降，則可能來(lái)自脈沖星.

4 揭開(kāi)暗物質(zhì)之謎的重大意義

暗物質(zhì)的存在已經(jīng)被人們普遍接受.人們認(rèn)為目前的宇宙結(jié)構(gòu)是由于暗物質(zhì)的作用而形成.然而，目前被廣泛認(rèn)可的粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的62種基本粒子中不包含能解釋暗物質(zhì)的基本粒子，因此，揭開(kāi)暗物質(zhì)之謎將是繼相對(duì)論以及量子力學(xué)之后，人們認(rèn)識(shí)自然規(guī)律的又一次重大飛躍.目前，尋找暗物質(zhì)粒子、研究暗能量的物理本質(zhì)、探索宇宙起源及演化的奧秘已成為21世紀(jì)天文學(xué)和物理學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì).世界各國(guó)都在集中人力、物力和財(cái)力組織攻關(guān)，開(kāi)展這一重大交叉學(xué)科的研究.