科學一場持續了近百年，讓中美歐等國花費數百億美元的大搜索到底在找什麼？_風聞
大牧_43077-2018-08-20 20:06
觀 科普知識 學術沙龍 成果展示 紅德朋友首頁 科學 正文科學一場持續了近百年，讓中美歐等國花費數百億美元的大搜索到底在找什麼？2018-08-11 3,238 0
對於天文學家來説，暗物質與恆星、行星一樣，都是真實存在的物質。天文學家可以繪製暗物質分佈圖，把一個個星系視為由“發光”的普通物質點綴着的暗物質雲團。借用暗物質，科學家還成功地解釋了宇宙結構是如何形成和演化的。
然而，經過多年的搜索，人們至今仍然沒能直接探測到暗物質。人們被籠罩在暗物質的雲團中，卻不知宇宙的暗面究竟為何物。
前不久，諾貝爾物理學獎獲得者、美籍華人物理學家丁肇中在山東大學演講時，再次為暗物質線索的發現給出了一個時間節點——2024年。他認為，屆時關於暗物質的來源，“應該能有個決定性的結果出來”。
2024年也是國際空間站可能的退役時間，正在國際空間站上尋找暗物質和反物質的，是阿爾法磁譜儀。它也是首個安置在太空中的最強大、最靈敏的精密粒子探測裝置。
諾貝爾物理學獎獲得者丁肇中介紹阿爾法磁譜儀項目最新進展情況
阿爾法磁譜儀項目由丁肇中主持，背後是個國際合作團隊。實際上，加拿大、意大利、中國、日本、德國、美國等尋找暗物質的團隊有很多，有的在天上，有的在地下，眾裏尋暗物質千百度，還不知它是否在燈火闌珊處。
那麼，多國的科學精英都在竭盡全力尋找的這個暗物質到底是什麼？能最終找到嗎？
文 | 畢效軍 中國科學院高能物理所研究員
編輯 | 李浩然 瞭望智庫
本文為瞭望智庫原創文章，如需轉載請在文前註明來源瞭望智庫（zhczyj）及作者信息，否則將嚴格追究法律責任。
1宇宙中看不見、摸不着的最神秘力量我們所知道的物質——原子、恆星、星系、行星、樹木、石頭、我們自己等等，其實只佔了已知宇宙的5%還要少，其餘約25%是暗物質，剩餘的70%是暗能量，後兩者都是看不見的，而且不能發射或吸收電磁輻射，故而稱其“暗”。這意味着我們所感受到的一切，都只是真實存在的一小部分。
從人類開始研究暗物質至今已有近百年時間，人類為何如此執着於探索這些看不見的東西呢？
因為暗物質涉及宇宙產生和演化的一些最基本問題，它被科學家比作“籠罩在21世紀物理學天空中的烏雲”，是目前國際科研的最前沿領域之一。
與百年之前相對論和量子力學即將誕生時類似，現在人類對物質世界的認識又一次處在了十字路口。毫不誇張地説，找到並研究暗物質，將是繼哥白尼日心説、牛頓萬有引力定律、愛因斯坦相對論以及量子力學之後，人們認識宇宙的又一次重大飛躍。
有人可能認為，既然暗物質隱藏得這麼深，我們又怎麼確定它存在呢？
儘管暗物質不發射或吸收電磁輻射因而無法被天文設備直接觀測到，但是它的引力效應卻影響了其周圍可見物質的運動軌跡，因而能夠被間接探測到。
如上圖所示，太陽到銀河系中心的距離是2.8萬光年，繞銀河系中心旋轉一週的時間是2.3億年。物質的引力所產生的向心力可以把太陽固定在這樣的軌道上，通過簡單的計算就可以知道，這需要在太陽軌道內包含大約1011 MSun（太陽質量）的物質。
然而，可以觀測到的恆星和氣體的質量低了兩個數量級。顯然，還有更多的不可見的物質貢獻了更強的引力，如果不存在暗物質，那麼向心吸引力就要弱很多，太陽的旋轉速度也要相應小很多。
太陽是銀河系中的一顆普通恆星，觀測更多的恆星的運行軌道就可以進一步推斷星系中暗物質的分佈信息。
比如，上圖所示是一個稱作M33的渦旋星系中，恆星繞星系中心旋轉的速度與其到星系中心距離的函數關係示意圖。上邊的曲線是天文學家觀測的結果，而下邊的虛線是根據觀測的可見物質預計的恆星運行的速度分佈。
我們看到，兩者有着明顯的差別，實際測量的運行速度要遠大於計算結果，這表明星系中還分佈着大量的暗物質來增大引力，這些觀測結果就是天文學家推測暗物質存在的直接觀測證據。
而根據不同距離處恆星旋轉速度的大小可以推算暗物質在星系中如何分佈，我們可以得到如下圖所示的銀河系中的物質分佈圖。從圖可見，我們銀河系的恆星大部分分佈在一個很小的盤狀結構中，這就是我們熟悉的銀盤。在銀盤外邊包圍着巨大的暗物質構成的球狀結構，稱作暗物質“暈”。
除此之外，其他還有許許多多天文觀測，均證實了宇宙中暗物質的存在。
比如星系團中熱氣體的分佈、星系團所造成的引力透鏡效應、宇宙中微波背景的觀測等等均在更大的尺度上證實了暗物質的存在。
今天，天文學家建立了一個“標準宇宙學模型”，這個模型中宇宙由68%的暗能量、27%的暗物質和5%的普通物質組成，可以成功解釋幾乎到目前為止所有的宇宙學觀測現象，是當前人類對宇宙的最新認識成果。
2暗物質究竟是一種什麼樣的物質？在研究暗物質的歷史中，天文學家也提出了許多的設想，比如認為暗物質是不發光的小天體如黑洞，或者是中微子等等，但均已被後來的觀測所排除。
目前一般認為暗物質應該是由一種全新的粒子構成，它不同於我們已經瞭解的任何一種組成我們周圍物質的粒子。我們只知道這種粒子應該是穩定的、不帶電的且運動速度很慢的粒子，而其具體是什麼粒子，以及其質量、其相互作用的性質如何等都無法確定。
物理學家提出了許多的暗物質粒子模型，但由於沒有直接觀測數據的限制，不同的暗物質模型中暗物質粒子的性質相差非常大。在這許許多多的暗物質模型中，有一種被稱為是“弱作用重粒子”的暗物質模型是目前研究最多的。
這類模型的出發點是解釋“暗物質在宇宙中如何產生”這個問題，而這一模型認為暗物質應該和普通物質一樣是在宇宙的極早期從高温高密的物質狀態中產生出來的，這和普通物質的產生是同一個過程。
在這一前提下，研究發現當暗物質質量和相互作用強度和弱作用類似，那麼其在宇宙中所產生的密度就和今天我們觀測到的密度相一致。
由於這類模型能夠非常自然地解釋我們觀測到的暗物質在宇宙中的丰度，因而受到了極大的關注。
我們目前大部分暗物質探測實驗所要尋找的對象就是這種“弱作用重粒子”的暗物質。
3花費超過數百億美元，暗物質卻遲遲不現身當前探測暗物質主要包括三類實驗方案，即對撞機探測、直接探測和間接探測。
從上圖可以看出，暗物質粒子和普通物質的相互作用可以體現在三個方向上：
*從下向上，就是通過把普通粒子加速到很高的能量對撞產生出暗物質粒子，這就是暗物質粒子的對撞機探測，比如在歐洲核子中心的大型強子對撞機（LHC）上進行的暗物質尋找就是這種探測方式；
*橫向方向表示一個暗物質粒子和普通粒子發生彈性散射，通過探測這種散射產生的信號尋找暗物質，這被稱為暗物質的直接探測；
*而從上向下的方向代表着兩個暗物質粒子碰撞並湮滅而產生一對普通粒子，通過尋找這樣的湮滅產物尋找暗物質粒子，這被稱為暗物質的間接探測。
丁肇中教授領導的阿爾法磁譜儀2號（AMS-02）實驗和我國的暗物質粒子衞星“悟空”號探測暗物質就是根據間接探測的方法，探測暗物質粒子湮滅或者衰變後所產生的高能宇宙線粒子。
暗物質間接探測的原理如上圖所示，即兩個暗物質粒子碰撞後會發生“湮滅”而變成我們熟悉的夸克、輕子等粒子，這些不穩定的粒子會迅速衰變而成為穩定粒子，如正負電子，正反質子，中微子，光子等。
間接探測即是尋找宇宙線中的這些信號來尋找暗物質的信號，間接探測實驗也通常選擇在地面和空間進行，地面的實驗適合探測暗物質湮滅所產生的伽馬射線信號和中微子信號，但帶電粒子會和大氣很快發生反應，所以地面實驗不是特別適合探測帶電粒子信號。
通常，為了得到更加乾淨的暗物質湮滅信號，需要在空間開展實驗，包括衞星實驗和在空間站開展的實驗。
目前正在進行的實驗有如下幾個：
Fermi衞星是美國發射的伽馬射線探測衞星，用來尋找暗物質湮滅所產生的伽馬射線信號，Fermi2008年發射，至今已經運行了近10年，取得了大量的科研成果。然而，它卻沒有發現暗物質湮滅的信號，因而，給暗物質性質設置了非常嚴格的限制；
另外兩個實驗是“PAMELA衞星實驗”和阿爾法磁譜儀2號（AMS-02）國際空間站實驗，都帶有磁場，因而能夠測量帶電粒子的電荷，它們主要是測量宇宙線中的反粒子，如正電子、反質子等，以尋找暗物質信號；
最後一個是我國在2015年發射的暗物質粒子探測衞星“悟空”，它主要是通過探測暗物質湮滅所產生的電子來尋找暗物質信號。
上文提到，有科學團隊通過對撞機探測方法，尋找高能粒子對撞產生的無法被探測器探測的暗物質粒子引發的能量、動量“丟失”過程。然而，僅僅對撞機一項，就花費數百億美元，暗物質卻仍遲遲不“現身”。
4或許，我們已接近發現暗物質的邊緣
近年來在暗物質探測方面一個重要的進展就是，發現了宇宙線中存在大量的正電子超出。
PAMELA衞星在2008發現宇宙線中正電子比通常宇宙線物理所預期的流量高出了許多，這多出來的正電子讓科學家非常興奮，認為有可能就是人們長期夢寐以求的暗物質信號。研究表明，暗物質湮滅的確可以完美解釋這些多出來的正電子。
但不幸的是，暗物質卻不是唯一的解釋。
天文學家認為，銀河系中存在一種稱為脈衝星的天體，它是高速旋轉的中子星。這種天體可以加速產生高能量的正負電子對並輻射到銀河系空間，這類信號如果傳播到地球上，也可以解釋實驗所觀測到的多餘正電子信號。
而阿爾法磁譜儀2號（AMS-02）是安裝在國際空間站上的大型實驗裝置，更加精確地測量宇宙線中正負電子的能譜，不但證實了PAMELA的觀測，還在更大的能量範圍和更高的精度上擴展了這一結論。
但是，即使是AMS-02的結果也無法確認正電子的來源到底是暗物質還是脈衝星，如上圖所示，圖中不同的曲線代表了不同來源的正電子，我們發現這些曲線都能夠解釋圖中的AMS-02的數據點。
最近AMS-02實驗組在一個會議上公佈了其最新的測量結果，由於累計了更多的觀測事例，最新的結果顯示多出的正電子的能譜存在某種“結構”，如果這個結構得到精確的測量，就有可能據此判斷正電子的來源。
然而，深入的研究表明，來自脈衝星的正電子和來自暗物質湮滅的正電子的能譜形式很有可能無法完全區分。這是因為，這些正電子從源上產生出來以後還要再經歷非常複雜的傳播過程，這個傳播過程會改變能譜的形式，從而使得不同來源的能譜更加難以區分。
暗物質這麼難尋找，這也正是它的魅力所在，我們也不要灰心，還是有其他辦法可能區分暗物質來源的正電子和脈衝星來源的正電子。
暗物質瀰漫地分佈在銀河系中，而脈衝星則是某個位置上的一個星體。因而，脈衝星產生的正電子會有方向性，從而在正電子流強分佈上導致一個“各向異性”，但暗物質產生的正電子基本會是“各向同性”的。
各向異性的檢驗非常困難，需要積累大量的電子和正電子數據，這就要求非常大的探測器才行。而我國空間站的未來宇宙線實驗HERD具有這樣的優勢，將可能在這方面取得重要的突破，為暗物質尋找提供更多的線索。
總而言之，暗物質問題大大激發了人們對於未知世界的想象，也正在激勵着各國科學家不斷地深入研究這個問題，並在不同的研究方向上取得進步，為最終揭開暗物質謎團貢獻自己的力量。
（文內示意圖均由作者提供）
（注：本文所有觀點僅代表作者本人，均不代表紅德智庫立場）