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看穿“暗物质”

2022.05.16 广西

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宇宙解码 2022-05-14 20:24

    “暗物质”,是一个有些人可能听过,但大部分人会感到陌生的名词。何为“暗”物质?暗,有黑暗的意思,但此处的黑暗并不是黑色,而是看不见。

暗物质并不被我们看见,那它是什么?

    科学家推测,暗物质可能是由WIMP构成的,而WIMP这种粒子几乎不与可见的世界发生相互作用。因此,暗物质是孤独的。

    在解释WIMP是什么之前,先来了解一下“看不见”的暗物质是怎么被发现的吧。

    暗物质存在所造成的异常首先被天文学家们察觉——他们观测到宇宙中有异常运动,推测存在新的物质。虽然没有确切观测到,但这种物质被命名为“暗物质”(dark matter)。

    虽然没有确切的“实锤”,但科学家们还是通过自然现象反推出了它的一些特质。比如:暗物质似乎是一片不可见粒子的海洋,它们充斥在空间各处,密度并不均匀,以及“不与其他东西相互作用”的属性。

    接着,天文观测为我们确定了暗物质的总质量是普通物质的6倍。同时,天文学家们还发现星系和星系团全都被巨大的暗物质球包裹,并称之为“暗物质晕”。

    而他们手中最令人信服的暗物质存在的证据之一,是著名的“子弹星系团”。子弹星系团是一对相撞的星系团,星际气体云撞在一起,释放出X射线,呈粉色;而暗物质的引力扭曲了背景天体的光,呈现蓝色。暗物质本身虽不为我们所见,却通过这种方式暴露了自己。

接着来看看构成暗物质的WIMP到底是什么吧。

    WIMP是“Weakly interacing massive partide”的缩写,即“弱相互作用大质量粒子”。

    这种粒子只通过弱核力发生相互作用,而且由于跟主宰日常生活的电磁力“绝缘”,因此是看不见的,也不会对普通粒子产生什么直接影响。遂此,WIMP可谓是完美的暗物质候选者。

    值得一提的是,科学界还提出了一种比WIMP更“合适”的粒子——超级WIMP(Super-WIMP)。

    

    既然称之为超级WIMP,那么它的许多特性与WIMP是相似的,只是超级WIMP与其他粒子并不会通过弱核力发生相互作用——只剩引力。

    科学家们推测宇宙大爆炸后1纳秒诞生的WIMP可能是不稳定的,极可能在几秒甚至数天后,衰变成一类性的粒子——超级WIMP。并且他们认为,暗物质晕中心的密度应该就能揭示,构成暗物质的到底是WIMP还是超级WIMP。

    只要确定了暗物质的身份,就确定了占宇宙四分之一的成分。至于如何寻找它,科学界提出了三种策略:湮灭、散射和产生。

    “湮灭”是两个WIMP相撞时,会互相湮灭但留下其他一些粒子,如电子、正电子和中微子等。这种湮灭不常见,但哪怕极少一部分WIMP发生湮灭也会被捕捉到。目前利用这种方式探测的有国际空间站的阿尔法磁谱仪、日本的超级神冈,以及我国的暗物质粒子探测卫星DAMPE等。

    “散射”是一种直接检测的方式。它利用的原理是:暗物质会从地球中穿过,并在极罕见的情况下撞到一个原子核,此时利用低温技术就可捕捉被撞原子核的弹跳。当然,这种策略只能在仪器的灵敏度上下功夫,毕竟哪一个暗物质粒子会穿过地球,穿过实验室的仪器,并恰好撞上那个原子核并不是我们能决定的。目前有DAMA(低温暗物质搜寻)、COGENT(相干锗中微子技术)和中国锦屏地下实验室等在做相关实验。

    “产生”利用的是暗物质或许可以在粒子对撞机中产生的想法。它的原理是:既然暗物质可以湮灭成普通粒子,那它也就可以通过普通粒子的碰撞产生。暗物质产生的标志,是碰撞中似乎有能量和动量的消失。欧洲核子研究中心的大型强子对撞机有做相关实验。

    我们国家自己的暗物质粒子探测卫星(DAMPE)名叫“悟空”号。它是世界上观测能段范围最宽、能量分辨最优的暗物质粒子探测卫星,超过国际上所有同类探测器。发射它的目的是去太空寻找暗物质的存在证据,并探寻宇宙射线起源,观测高能伽马射线。

    2021年,中国暗物质卫星项目团队公布科学成果,“悟空”基于四年半的在轨观测,绘出了迄今最精确的高能氢原子核宇宙射线能谱,并观察到能谱新结构。

    同时,“悟空”号获得氦核宇宙线70GeV至80TeV能段的精确能谱测量结果并发现能谱新结构。这是国际上利用空间实验首次实现对10TeV以上能段氦核宇宙线能谱的首次精确测量。

    “悟空”号已经大大提高了我国暗物质的探测水平。未来,期待我们能用悟空的“火眼金睛”发现更多的宇宙奥秘。

发表于陕西
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