我们探测到暗物质信号了吗？

虽然本人不是做天文、天体、宇宙学或者粒子天体的，但最近有两个有意思天字头领域的新闻多少和我所学领域有点点关系，一个是PLANCK似乎并不支持BICEP之前关于发现圆厨引力波，啊不对，原初引力波的结果，BICEP可能未扣除干净来自银河系尘埃的前景效应，所以误以为那是来自张量的效应，但也不是说BICEP完全错了，还有待进一步验证。虽然我是圆厨，但是圆厨引力波说实话我不懂，所以不打算讲下去。【圆厨失格。。。
另一个消息是丁肇中领导的AMS02更新了正电子比例的数据，而且公布了正负电子的谱的数据（这是上一次公布的结果中没有的），结果很有意思，而且由于暗物质和我关心的领域也有关所以决定写个不太长的日志随便误导一下。

首先说下这个暗物质它是什么，注意，经常有人弄错反物质和暗物质的概念，反物质我们是在对撞机上产生过的，几乎摸得很透的东西了，甚至有些小说里都写某机关，比如某SERN，产生了反物质然后被什么人偷了企图炸掉梵蒂冈之类的。。。

但是反物质不是暗物质，暗物质有一个特点，就是它暗。暗的意思是它不参与电磁相互作用。我们鱼唇的人类最擅长的就是探测光信号，而光是电磁辐射，粒子要像发出光就要能和光子耦合，就是要有电磁相互作用，比如电子它在磁场里拐个弯同步辐射一下，在原子里它从高能级跳到低能级也发个光，反正随便怎么搞搞它它都喜欢发个光，这都是因为它带电荷，会和光子发生相互作用。当然不是说不带电就了不起了可以叫暗物质，氢原子就电中性，但是它有结构，里面有电子云包围带正电的原子核。我们知道标准模型里有中微子，这个东西它就不带电，暂时也没觉得它还有更小的带电结构，所以它真的不发生电磁相互作用，有试图用中微子来解释暗物质的，但是并不理想，它不满足现有的宇宙学观测限制。

我们要找别的和中微子一样不带电的东西，这样我们可以说因为我们显卡不够好所以看不到。我知道你的下一句话是：

我们怎么知道一个不发光的东西存在？

恩，这是因为它虽然不发生电磁相互作用，但是有别的相互作用并且被我们感知到了。这大概要从圆环之理还没有发挥作用魔法少女到魔女的相变能够发生的时代开始讲起。。。

不对，是要从大家高中时学过的万有引力定律练习题讲起，就是我们知道星体会绕着星系的中心转，然后就有个转动的线速度，这个线速度很容易就可以通过套万有引力和向心加速度的公式计算出来发现绕行的速度v 与远离中心的距离r的关系是（M/r）^(1/2)的形式，所以当你观测到所有发光的东西已经包围在一个球内了，你以为那就是银河系里所有的物质了的时候，开始观察这个球以外的小物体，比如一堆很大的鸽子分布在这个球以外各处，当然这些鸽子为什么这么大也是个很严重的问题但是不在这篇水文讨论的范围内，总之这些鸽子因为引力和有个速度就绕着银河系转，然后套公式你觉得随着距离银心的距离增加这些巨鸽的速度分布是以（1/r）^(1/2)的形式递减的，但事实却不是这样的，人们观察到鸽子们的速度分布随着r增大并为减小，而是几乎是差不多的速度，就是在v-r图上它是一条几乎水平的线。我敢保证这并不是因为r大一些位置的鸽子们偷偷拍打翅膀了所以它们比预想的快，要知道宇宙空间中没有空气它们拍翅膀也没用的。

那么鸽子们的速度分布为什么和说好的不一样呢？有两条思路，一条是考虑在大的尺度上引力定律错了，于是推导出来的 （M/r）^(1/2)当然也就错了。另一条思路是M不是一个常数，是r的函数，比如正比于r，于是得到的速度v就是一个常数，但是我们说了，看得见的物质已经包在这个球里面了，怎么质量随着r增加还增加呢？没错，就是因为有看不见的物质，暗物质。。。(那边那个说因为鸽子太大太多引起物质分布变化的你别走，我保证不打死你。)

好的，那么引力就是暗物质参与的相互作用之一，其他的，它其实有可能还参与弱相互作用，像中微子那样，然后相互作用太弱了，以至于直接穿透你的望远镜你啥也没看到，就像中微子那样。。。

关于暗物质是什么粒子有很多理论，我说个最出名的，就是引入了超对称的标准模型中， W规范玻色子的费米子小伙伴Wino和Higgs的费米子小伙伴Higgsino的一个线性组合，这个线性组合是几种不同组合中质量最轻的，够稳定，而且电中性不发生电磁相互作用最适合做暗物质，它算是所谓的弱相互作用大质量粒子(WIMP)的一类。

提到了超对称，顺带说一下，它就是一种玻色子和费米子的对称性，这个理论大家很喜欢，一方面是这个理论有很好的对称性很漂亮。另一方面是，超对称是个很浪漫的理论，它说每一玻色子就有一个对应的费米子伙伴， 费米子有一个玻色子伙伴。也就是说虽然我们这些砖工都是单身狗，但是你身上每个粒子都有一个伴侣，在广大的量子真空中涨落着一个只属于你的伴侣！这是为什么这个理论过了这么多年都没有实验支持，但是大家都抱着它不放的原因之一【大雾】

扯了太多粒子物理了。。回到这个AMS，它探测的信号的什么呢？是物质和反物质。你没看错，你问我它探测了什么，我说是反物质，但我没有任何钦点反物质是暗物质的意思，将来报道上有什么偏差你要负责的。。。这个选暗物质候选也要根据基本物理法则，当然实验家的想法也是很重要的，到了要探测的时候他们会表态的。。。既然探测的是正反物质，比如正负电子，那我怎么说是探测暗物质呢？这叫间接探测，识得唔识得啊。中国有句古话，叫闷声发大财，我什么都不说是最好的，但是你们又不高兴。。。我就给你说，这个间接探测的重点在间接，它不是直接探测暗物质，我说过了我们显卡不够探测不到，我们探测的是两个暗物质湮灭后产生的产物，比如一对正负电子。这就是间接探测的意思。

那么AMS的结果说明了什么，先说说这个正电子比例超出的问题，正电子比例是(正电子流强/（正电子+电子流强），本来正电子就少，如果有暗物质湮灭产生一对正负电子，那么这个比例就会增加，比如本来是1/3，现在(1+1)/(2+3)=2/5，不就增加了嘛。根据以往没有暗物质的知识，本来应该有一个这个比例随着粒子能量降低的线，但是AMS02却观测到了上升，上图吧：

看，上图开始一段，比如横坐标刻度10以前都还好好的往下降，那之后曲线就开始往上跑了，还跑得比谁都快，不知道高到哪去了。总之这种行为是需要解释的，比如暗物质湮灭产生的，或者是天体起源，比如脉冲星biubiubiu，那怎么区分呢？首先，他们还有的另一项数据，就是这个信号的各向异性，结果很小，也就是说这种诡异的信号是四面八方都差不多的，不是某个特定方向来的，那么就有可能并不是来自某个天体biubiubiu的结果，而更像是暗物质这种不那么集中，弥散再周围各处的东西湮灭的信号。其次，是他们接下来最关心的，就是上面得图丽我用蓝色笔画圈的几个数据点，看最后的趋势貌似是停止升高了，如果之后再积累的数据显示这个谱在这个位置开始快速下降，那么这就是很强的的暗物质湮灭的证据，这是因为湮灭要遵守运动学规律，我们知道暗物质应该比较重，它的能量基本就是它的体重，两个的能量基本就是两倍体重，两倍体重的能量无法产生两个能量加起来高于这个能量的电子，我知道你听说过这个定律，它叫物理规律具有时间平移不变性。。。不对，叫能量守恒。

好的，如果他们最后真的看到了这样的大跳水式的谱，就证明有暗物质了吗？可以觉得是的，也可以觉得不是。毕竟这是间接的证据，要知道我们总是不满足于此， 最好能直接看到它，这又分两种手段，一种是对撞机直接撞出它来，像LHC就有这样的任务，还有国内将来要建的环形质子对撞机(能量比LHC还高的多)，任重而道远。另一种手段是直接探测，我们说过暗物质可能有其他的相互作用，比如弱相互作用，这样它就有希望和原子发生碰撞，现在有很多国家很多实验都在做这个，它要让暗物质撞上稀有气体然后原子反冲等信号会被探测到。这两种手段都足够直接，如果真探测到了的话结果还是很令人信服的。

AMS是在放天上的磁谱仪， 而对撞机和直接探测的仪器是在地球上的。前者发射航天飞机送上国际空间站就好了，而后两者，为了有很好的屏蔽宇宙射线和其他干扰源的干扰，需要在地下挖隧道。现在问题来了，

挖掘机学校哪家强？