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丁肇中:暗物质研究进展“很好”

2013.04.05

 

丁肇中:暗物质研究进展“很好”

 

立项18年耗资20亿美元,论文修正30次两三周后发表,昨用电子邮件回复本报——

丁肇中:暗物质研究进展“很好”


  本报讯(记者张懿)人类历史上最昂贵的科学实验即将公布第一份科学报告,其内容可能涉及对宇宙的组成、演变起到关键作用的暗物质的信息。主持这项实验的是华裔诺贝尔物理学奖得主丁肇中,昨天从美国向本报回复电子邮件表示,研究进展“很好”。
  理论上,暗物质的总量大约是我们身边常规物质的6倍,缺了它,宇宙、星系也许会四分五裂,但科学家从未真正发现它;换句话说,不了解暗物质,人类的知识就存在大量空白。
  目前,全世界的物理学家都在等待丁肇中团队的这第一篇文章。最初的消息来自几天前,丁肇中在参加美国科学促进会年会时透露,这篇论文正在进行最后的审校,将在两到三周后发表。他说文章将与暗物质有关,但不愿透露更多细节,包括论文将以何种形式发表。
  实际上整个理论物理学界都在等待这篇文章。国内外媒体都对此投入了巨大的热情,一些报道以“丁肇中团队可能发现暗物质”为题刊发。
  在给本报记者 发来的邮件中,丁肇中委托他所在的麻省理工学院同事向本报表示,研究进展很好,但此前媒体的报道不完全正确。
  丁肇中在接受采访时曾表示,这篇论文绝非一篇次要的文章,它是朝着人类认识暗物质方向前进的“一小步”,但不是最终答案。
  与丁肇中长期在暗物质探索领域合作的知名理论物理学家、台湾“中央研究院”院士李世昌在另一封邮件中回复本报记者说,他无法透露更多论文的细节,目前来看,成果是“第一步的显著的进展”。但他也表示,这次成果尚无法用“发现暗物质”来描述。
  丁肇中主持的这项研究,立项至今已18年,耗资20亿美元,由全球科学家共同参与完成,包括中国多所高校也参与其中,投入了大量努力和资金。研究的核心是史上第一台在太空运行的高能粒子探测器——阿尔法磁谱仪(AMS),它能绘制出宇宙射线的高精度图谱。理论上,宇宙射线可能含有暗物质存在的重要线索,比如常规物质作用时无法生成的某些反物质粒子。AMS的任务就是发现并分析、解读这本来自宇宙的“无字天书”。
  本报高级记者姚诗煌曾多次前往瑞士日内瓦欧洲核子中心的丁肇中实验室采访,他说,丁肇中对这篇论文异常谨慎,希望避免任何人为错误。在目前这个时间节点发表,完全是符合他所了解的时间表。
  丁肇中透露,这篇论文已经进行了30次修正,以使所有参与这项研究的科学家都认可。
  李世昌说,目前来看,AMS工作完全符合预期。他认同记者的观点:人类很有可能正处在一个新的物理大发现的前夜。

可能“照亮”暗物质的第一道光


  人类历史上最昂贵的科学实验、第一份科学报告、暗物质,这些元素,足以让所有关注物理学、乃至宇宙和世界奥秘的人们兴奋。来自全球的数百名科学家,耗资20亿美元,花了18年,他们的第一步究竟发现了什么?
  
等了18年才落笔
  复杂而又精密的阿尔法磁谱仪(AMS)正在太空中随国际空间站绕地球飞行,不断将其探测到的高能粒子(也就是宇宙射线)的数据传回地球,由位于瑞士日内瓦的欧洲核子中心(CERN)的一个科学家团队进行分析。
  CERN专门为丁肇中建了AMS科学楼。本报高级记者姚诗煌在过去两年数次前往丁肇中在日内瓦的办公室,堪称国内对AMS项目接触最深入的媒体人之一。
  姚诗煌昨天表示,丁肇中去年秋曾当面告诉他,迄今为止,AMS获得的关于宇宙射线的数据,超过了此前人类掌握的所有相关数据总和。丁肇中当时说,年底,第一批数据会完成分析,形成论文。据此,姚诗煌昨天认为:“丁肇中的工作完全按照既定节奏进行。”
  这篇即将发表的论文,用丁肇中的话说,等待了18年才能落笔。因为一系列意外事件,阿尔法磁谱仪的进度被一拖再拖。
  丁肇中在上世纪90年代中期开始力推AMS。这是人类第一台能直接观察宇宙射线的仪器,被称为“宇宙射线的哈勃望远镜”。它本应更早上天,但“哥伦比亚号”意外失事,让美国中断了航天飞机计划。此外,物理学界曾有不少人质疑丁肇中的努力。但丁肇中最终说服了政府和议员。2011年5月,它成为“奋进号”最后一次飞行任务中的核心“乘客”。
  目前为止,阿尔法磁谱仪一共在太空“瞭望”了21个月。姚诗煌告诉记者,丁肇中去年7月底在日内瓦告诉他,从那时起,AMS全面进入数据搜集、处理阶段。
  
什么物质这么“暗”
  人类对宇宙的了解,自古以来主要凭借各种望远镜,或者说靠收集来自遥远星系的光和电磁波。但天文学家意外发现,一些星系边缘的运动速度比预想中更快,按此速度,它们应该会被“甩”出去。因此,应该有种看不见的神秘物质,贡献着万有引力,拉住了星系。
  这种物质的存在,在随后几十年中,被各种物理实验间接证明。虽然这种额外引力的来源,曾有各种说法,但多数科学家认为,它们是一种特殊的物质,由一类名为“弱相互作用大质量粒子(WIMP)”构成。
  被广为接受的理论计算认为,在宇宙的构成中,组成我们身边这个世界的“常规物质”,大约只占4%,而这种谜一般的暗物质多达23%,它提供的引力,就像是宇宙的胶水。
  曾任中国引力与相对论天体物理学会理事长的上海师范大学教授李新洲告诉记者,暗物质之所以“暗”,不仅是指它不发光,更重要的是它太难捉摸。通常说“看见”某物,实质上是接收到它发出的电磁波——光。而可见的物质必须能发生电磁相互作用。
  物理学把物质间的各种力,归为四种相互作用:电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用、万有引力。
  暗物质肯定不参与前两种作用,有可能参与第三种,肯定参与第四种。但后两种力的作用是极其微弱的。假使暗物质能做成汽车,迎面一头撞向你,那也只会互相穿越而过。当然,你也看不到这辆车。
  李新洲告诉记者,中微子(就是那个曾被误以为能超光速运动的粒子)也只参与后两种作用,它也是“暗”的,能轻易穿过地球。但中微子不是科学界特指的“暗物质”,它无法解释巨大而未知的引力来源。
  上海交大物理系教授王斌告诉记者,暗物质应该广泛分布在宇宙中,也许,我们每天都生活在暗物质的“云团气晕”中,但只是无法感受到。
  
倾听“宇宙大合唱”
  要让WIMP粒子露面,必须与它“对话”,也就是让常规物质与之发生作用。精确侦测万有引力只能针对的极大对象(比如天文学尺度),因此,科学家将注押在了暗物质还能参与弱相互作用上。
  中科院院士、理论物理学家陆埮告诉记者,根据现有的研究,虽然不算确证,但有不少迹象支持暗物质能参与弱相互作用。实际上,科学界都希望它可以,否则,暗物质就更难找到了。
  丁肇中主导的实验,正是基于这个前提。
  阿尔法磁谱仪是第一个直接在太空探测宇宙射线的仪器。根据CERN的说法,与其他地面实验方法相比,AMS探测反粒子的精度提高了3个数量级,也就是1000倍。因此,它也许能“听”到喧嚣的宇宙射线“大合唱”中最微妙的音节变化,而这个变化,或许就是暗物质发生弱相互作用留下的痕迹。
  丁肇中在几天前于波士顿举行的美国科学促进会(AAAS)会议上说,从2011年至今,阿尔法磁谱仪已经探测到了250亿个粒子数据,其中包括80亿个电子和其反物质——正电子。这第一篇报告将详细描述正负电子的比例,以及它们的能量。
  如果这个报告能显示出什么意外的正电子能量起伏,那就有可能认为发现了暗物质的踪迹。不过,丁肇中还必须证明,那些奇怪的正电子,不是来自于某个常规星体的活动。如果奇怪的电子来自同一个方向,那么它也许是某颗脉冲星“射出的子弹”,但如果来自四面八方,那就很具有说服力了。因为暗物质被认为广泛分布在宇宙中。
  目前,外界无法知道这篇待发表论文的细节。陆埮说,暗物质即使能发生弱相互作用,发生的频次也是很低的。这意味着,在AMS搜集到的海量数据中,有价值的也许是很小一部分。
  本报记者 张懿

暗物质:目前仍存在于理论中


  暗物质这个一直存在于理论中的粒子已经被“发现”80年,但科学家始终苦于找不到足够的证据证明它的存在。相对于实验物理,理论物理太超前了,暗物质的存在如果真能够被实验证明,那么人类对宇宙演化历史以及粒子物理的认识,就会更加深入。
  据介绍,宇宙中的物质只有4%被人类所认识,并且能够描述,另有23%左右的物质是暗物质。“暗物质的发现将使我们认识宇宙中另外23%的组成成分,而不是仅仅能够描述4%的宇宙构成成分。而且暗物质这个一直‘存在于理论中’的物质如果真的被发现了,那么人类对粒子物理的认识会有更深入的理解,对于宇宙结构的产生会很清楚,恒星和星系团的形成之谜也会揭开,我们将可以对宇宙演化和历史有一个确切的描述。”上海交通大学物理系天体物理学家王斌告诉记者。
  
宇宙演化历史的标记物
  暗物质存在的推断,最初来源于科学家们对恒星和星系速度的观测。20世纪30年代,瑞士天文学家弗里兹·茨威基研究了距离我们约两亿光年的COMA星系团,通过万有引力定律计算出了星系团的总质量。他发表了一个惊人结果:在星系团中,看得见的星系只占总质量的1/300以下,而99%以上的质量是看不见的,只能通过引力“感觉”到它们的存在。
  而且科学家发现,银河系中所有的星系都围绕银河系中心旋转。按照万有引力规律,越是银河系边缘的星系,绕银河系中心旋转的速度就应该越慢,但科学家却发现,离银河系中心比较远的星星旋转速度基本一样。但是这些星系并没有因为离心力的作用,而逸出银河系分崩离析,银河系也并没有因此而变成一个混沌的粒子团。“这就意味着宇宙中也许有一种我们所看不见的物质,这一物质使各种可见的粒子有机会凝聚在一起,形成了物质和星系,并且使整个银河系的星系都牢牢地凝聚在银河系中,围绕着银河系的中心旋转。”上海交通大学物理系教授季向东在接受记者采访时这样说。
  天体物理学家将这种理论中的物质称为暗物质,暗物质并不与电磁力产生作用,也无法通过电磁波的观测进行研究。我们看不见它们,但它们确实在星系间起着作用。目前的理论估计,宇宙的73%为暗能量,23%为暗物质,而只有4%是我们已知的物质。暗物质的存在可以完善大爆炸理论,对宇宙结构的演化和机构形成也非常关键。
  
暗物质的三种探测方式
  暗物质除了对整个宇宙的发展产生影响外,它在银河系范围内起着举足轻重的作用。根据物理学的基本规律,一切物质之间都有引力相互作用,同样暗物质也是如此。
  理论上,弱相互作用大质量粒子(即WIMP)的碰撞和湮灭会产生大量电子和正电子。通过测定二者的比例,以及在能量谱上的行为变化,可能找到暗物质。如果实验检测到在某能量处存在大量正电子,这可能暗示着检测到了暗物质,因为电子在宇宙中无处不在,而已知的天体物理学过程很少会产生正电子。芝加哥大学卡弗里宇宙学研究所的迈克尔·特纳教授说:“在对正电子和电子的观测中,如果发现二者比例突然上升然后急剧下降,那就是星系中暗物质湮灭的关键标志。在能量体系中也要考虑,是否具有各向异性?正电子是从固定的某个方向还是从所有方向出现?”
  而目前世界上科学家们往往采用三种方式探测暗物质。价值20亿美元的阿尔法磁谱仪是于2011年5月由美国奋进号航天飞机送往国际空间站,用于探测宇宙射线和高能粒子的仪器。据物理学界的专家称,目前世界上主要用三种方式探测暗物质,一种是空间观测,丁肇中教授在国际空间站的阿尔法磁谱仪就是空间观测,还有通过发射卫星观测;二是地下实验室探测,使用各种晶体或者液氙作为探测器来探测暗物质;三是欧洲原子能机构的大强子对撞机通过对粒子加速后来寻找暗物质。
  本报记者 姜澎

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