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科学家搜索暗物质的新方法

2015.11.01

因为暗物质粒子与普通粒子之间缺乏电磁力和强相互作用力,虽然大致分布可以通过引力效应得出,但对其进行直接搜索的难度很大。不过根据标准模型的预言,暗物质粒子具有自我湮灭的特性,而且还会发生衰变,这些过程会产生物质粒子和光子,理论上说,利用湮灭和衰变产生的粒子信号间接搜索暗物质或者从理论上限制暗物质特性是可能的。
提出暗物质的理由当然是为了解释观测现象,如星系自转曲线、引力透镜等等,暗物质是最直接最简单的解释途径。其他理论解释不是没有,比如修改引力理论本身的MOND之类,支持者据说也不少,但是不乏批评者认为这就是在凑结果,不具备更深层的内涵,本人对此不敢妄言,这也不是本文的涉及范围。关于暗物质,最流行的模型是所谓的弱相互作用大质量粒子(WIMP),也是目前间接搜索暗物质的首选。虽然部分现有实验也有能力探测另一种暗物质候选对象——轴子产生的信号,但是这类实验的数目和可以研究的轴子参数范围都很有限。
由于在当代宇宙中,WIMP基本不与普通粒子相互作用,它的密度就仅仅取决于湮灭反应的截面。截面的具体数值取决于所用的WIMP模型,不过都在每秒3×10-26立方厘米上下,变化不是很大,而且这个数值大致是跟宇宙年龄无关的。至于衰变,虽然时标很长(1027秒),不过可能仍会产生可观测的信号。
暗物质湮灭或衰变的过程就比较复杂了,强烈依赖于理论,常用的一是最小超对称性标准模型,二是引入额外维度的Kaluza-Klein粒子。具体产物可以是任何一种标准模型框架下的粒子,包括夸克、轻子、W/Z玻色子以及光子等等,还有可能产生氘核和反氘核。这里产生的粒子往往是正反相伴,于是随后还会发生次级湮灭过程,单单是二体湮灭还好说,如果考虑三体甚至更多体的相互作用,问题更为棘手。
算来初级产物可以归为16小类,这16小类又可归并为5大类,分别是夸克与W/Z粒子和胶子、正负电子和mu子对、正负tau子对、光子,还有中微子。对应可以接收到的信号依次为正负质子/氘核对以及pi介子衰变而来的伽玛光子和正负电子对、硬谱正负电子对外加mu子和电子中微子、软谱正负电子对加上强烈的中微子信号、硬伽玛射线谱或伽玛射线发射线,最后一种情况自然是中微子信号。光子和中微子之外,适于暗物质辨认的还有反物质信号,原因是本底背景要远比正粒子来得低。不过带电粒子因为在星际磁场和辐射场中会发生偏折,无法给出太多关于源区的信息。
观测间接信号需要使用的仪器分为气球载荷上的宇宙线探测器、空间探测器、地面切伦科夫望远镜外带中微子探测器几类。当代最著名的气球探测器是前些年因为在高能电子谱中发现疑似Kaluza-Klein粒子迹象而名噪一时的ATIC,它搭载在夏季环绕南极飞行的气球上,在2000年至2001年、2002年至2003年以及2007年至2008年间各飞行一次。空间宇宙线探测器的主力是2006年发射的PAMELA,最大的特点是携带有质谱仪,所以可以区分正反粒子,在阿尔法磁谱仪去年夏天完成安装之前是独此一家。PAMELA之外,费米、AGILE等伽玛射线望远镜也可兼作宇宙线电子探测器之用,因大视场独具优势。
左:即将发射的ATIC(图片提供:T. G. Guzik);右:PAMELA(图片提供:PAMELA space mission)
切伦科夫望远镜覆盖的能段在费米的大视场望远镜之上,从几十GeV到TeV。这类仪器的缺陷很大,首先是视场只有几度,仅适于点源观测;其次是使用时间受限,由于甚高能伽玛光子诱发大气粒子级联簇射产生的切伦科夫光强度很弱,观测只能在新月或残月之夜进行,每年只能工作900小时;再次是宇宙线背景较空间伽玛射线望远镜强得多,所以在暗物质搜索方面的贡献没有空间和气球仪器来得大。至于中微子探测器,因为目前除了超新星1987A之外,还没有接收到任何来自太阳系以外的中微子信号,所以这个问题按下不谈。
观测结果如何呢?一句话,尚无定论。这是说现在没有任何观测数据明确支持或反对反物质的,只是给出了一种可能性;而且无定论并不意味着反物质间接信号还没有被探测到,只是不能确定而已。
一条重要的搜索渠道是寻找难以用传统模型解释的弥漫伽玛射线辐射谱流量增高,这其中又分河内与河外两种。弥漫非热辐射的起源是宇宙线的产生与传播。其中原子核与星际气体发生非弹性碰撞会产生pi介子,pi介子衰变会伴随伽玛射线辐射;正负电子的轫致辐射与逆康普顿散射也会产生高能光子。同时在射电波段,带电粒子在星际磁场中的运动会产生同步辐射,不过因为高能辐射不太容易被星际介质吸收,示踪的效果更好。
先说河内弥漫辐射的问题。根据康普顿时代的数据,河内辐射在GeV能段存在显著的流量增高,无法用基于邻近宇宙线能谱得出的模型解释,人们很快就想到了暗物质湮灭的可能性。因此在费米伽玛射线太空望远镜升空后,检验康普顿的结论也就成了当务之急。
费米(红色)与康普顿(蓝色)给出的银河系弥漫辐射比较(图片来源:Porter, Johnson & Graham 2011)
费米并没有发现显著的流量增高,河内弥漫辐射谱可以较好地用已知模型来解决(虽然实际流量略高),却带来了新的问题,也就是所谓的雾霾。早先WMAP曾经在微波波段发现了以银心为中心的弥漫辐射流量增强(WMAP雾霾),难以用尘埃、电离星际气体以及宇宙线电子同步辐射来解决,成因可能要归结于银河系中心区域正负电子数量的增加,由此就牵扯到了可能的暗物质湮灭,不过因为并不存在偏振信号,用电子同步辐射来解释也很牵强。费米发现的高能雾霾位置上与WMAP雾霾重合,但是现在人们也不清楚它们之间是否存在物理上的联系。暗物质之外,额外的辐射流量也可以用其他理论来解释,包括扣除前景信号时使用的过度简化模型,还有宇宙线传播过程中的未知因素。至于康普顿的流量增高问题,现在看来更可能是仪器自身的校准问题所致。
费米的高能雾霾,左侧两图为扣除前景之前的全天图,右侧两图为扣除前景之后的情形(图片提供:Greg Dobler)
那么河外弥漫辐射呢?由于伽玛射线背景光的强度小于银河系前景,其不确定性更大。首先这种所谓的河外背景辐射是不是真正起源于河外都是问题,因为如果银晕延伸范围足够大(25千秒差距),其中的电子散射产物看起来与真正的河外弥漫辐射没有什么区别。姑且认为观测到的河外弥漫辐射确实起源于河外,因为使用了较新的前景辐射模型,如本站前文所说,费米给出的辐射谱比康普顿时代更软,且在2 GeV之上并不存在任何特征。由此辐射谱给出的暗物质参数限制倒并不与现行理论矛盾。
另一种暗物质搜索手段是以星系或星系团为中介。这里的星系特指恒星质量相对总质量很少的矮椭球星系。恒星少意味着可能产生伽玛射线辐射的天体如恒星形成区、毫秒脉冲星都很少,更有可能让暗物质起源的辐射暴露出来。同时由于单个矮星系的视直径不大,地面切伦科夫望远镜也有了用武之地。
星系团则是尺度最大的暗物质主导结构,因为质量大,也是有希望的目标之一。星系团的问题在于干扰大,这主要是指其中的活动星系核。由于高能望远镜的分辨率很有限,星系团本身的视直径可能跟仪器的点扩散函数半宽相当,扣除活动星系核的影响并不容易。
无论是矮星系还是星系团,目前都没有确切的成协伽玛射线辐射发现,只能给出对暗物质湮灭截面的限制,而且限制结果比弥漫辐射更加宽泛。不过由于矮星系表面亮度很低,现在发现的很可能只是其中一小部分,一些身份未知的伽玛射线点源也许就是尚未被发现的矮星系,但是人们并没有在费米望远镜头11个月的巡天数据中找到令人信服的矮星系候选对象。
那么伽玛射线发射线呢?首先要明确的是,这条路并不好走,因为可以产生线辐射的暗物质湮灭/衰变反应只占总反应数的很少一部分,乐观估计不过十分之一,悲观估计只有万分之一,所以哪怕发射线确实存在,它的强度也是低于现有仪器探测阈值的。目前对高银纬天区以及银心的搜索都没有找到发射线。
说完伽玛射线辐射,再说一说宇宙线粒子。第一个要提到的是前些年让ATIC大红大紫的高能电子流量激增事件(这里的电子是正负电子的合称,因为现在除了PAMELA以及尚未正式投入使用的阿尔法磁谱仪之外谁也没有区分正反粒子的能力)。具体说来,是ATIC发现宇宙线电子谱在300到800 GeV能段的流量偏离了传统模型给出的单一幂律谱形态,当时是将其归结为暗物质湮灭导致的正电子数量增多。这一发现被同为气球载荷的PPB-BETS所证实,但是却与费米大视场望远镜的结果不符合。这倒不是说费米眼中的电子谱是无特征的幂律,只是高能流量的增加没有ATIC那么明显。
高能电子能谱,其中橙色数据点表示ATIC的观测,灰色表示PPB-BETS的观测,红色表示费米大视场望远镜的观测(图片来源:Porter, Johnson & Graham 2011)
宇宙线方面另一个重要的发现是PAMELA测量的正负电子数量比突增,这与先前阿尔法磁谱仪的测试运行测数据以及一些气球观测结果吻合。这样的突增难以用传统的宇宙线与星际介质相互作用理论来解释。不过PAMELA给出的正负质子比例却很好地符合了传统模型的预言。
PAMELA观测到的反质子与质子之比(左)以及正电子与电子之比(右)(图片来源:Porter, Johnson & Graham 2011)
这里要明说的是,如果归因于暗物质,无论是ATIC还是PAMELA的结果都存在明显问题。如果要产生ATIC观测到的电子流量增加,所需暗物质湮灭截面要比一般理论给出的大上数百甚至数千倍,虽然有人提出了一些可能的解决方案来增大截面,但是由此会引发新的麻烦。而能够解释PAMELA结果的模型都与没有找到伽玛射线发射线的事实矛盾。那么这样看来,更可能的原因一是对宇宙线产生和传播模型的过度简化,二是仪器自身的原因,后者特指PAMELA的热量计无法将真正来自宇宙线的电子跟仪器上部重子相互作用产生的电子区分开来。
那么未来有望解决这些问题吗?进一步完善宇宙线模型之外,业已安装在国际空间站上的阿尔法磁谱仪能够克服PAMELA热量计的问题,有望解决正负电子比例问题。另外随着时间的推移,费米等巡天望远镜会积累更多数据,可以给出更准确的伽玛射线弥漫辐射图景,大型强子对撞机也有可能提供实验上的线索。不管怎么说,因为理论上的不确定性,暗物质搜索在未来很长一段时间内还需要摸索前行。
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