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如何发现暗物质?

时间:2013-02-23 03:29:01  来源:  作者:

2010年12月,中国锦屏极深地下暗物质实验室正式挂牌。该地下实验室有一个40米长、6.5米宽、8.5米高的实验大厅,尽管目前大厅总容积不是很大,但它是目前世界上条件最好的地下实验室:首先,它是当前世界上最深的地下实验室,上方有2.5公里岩层覆盖,宇宙射线通量最少,其次,地下实验室所在处不是花岗岩,而是大理岩,其自然放射性相当低,实验检测发现其天然放射性比洞外的岩石都低,和意大利GRAN SASSO的岩石相比,放射性元素铀的含量低了3倍。这些都为暗物质直接探测实验提供了非常好的条件。目前地下实验室的各个物理参数,包括宇宙射线通量、光子和中子的通量,都在测量之中。

  释疑

  如何发现暗物质?

  如果实验检测到在某能量处存在大量正电子,这或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。

  “发现暗物质存在的确凿证据是观测到正电子的数量骤升,然后迅速锐减。”这是因为暗物质湮灭产生的正电子具有特定的能量,而后者取决于组成暗物质的WIMP的质量,美国芝加哥大学的宇宙学家迈克尔·特纳说,“这便是探测到暗物质存在时会出现的关键特征。”

  如果在特定能量区域探测到了正电子的数量峰值,并且正电子的来源具有各向同性的话,那么就暗示探测到了“暗物质”。这是因为在我们周围,电子占据主要地位,除了暗物质湮灭能产生大量正电子之外,很少有其它的物理过程可以解释。

  特纳介绍:“我们要找的是正电子和电子的比率关系,科学家认为这其中隐藏着关于暗物质湮灭以及暗晕密度的信息。”在距离银河系中心10万至30万光年区间内存在神秘的结构,这里被研究人员认为存在大量的暗物质成分,拥有庞大的质量,银河系总质量中绝大部分由这些暗物质构成。

  根据当前的暗物质模型,银河系外围的暗物质分布可能扩展至100万光年的跨度,而银河系的直径为10万光年左右。物理学家估计,宇宙中普通物质如星系、恒星只占全部质量的4%,其他24%是暗物质,而剩余的为暗能量。

  什么是WIMP?

  WIMP被认为是一种暗物质的候选体。那么,什么是WIMP?

  上海交通大学粒子物理宇宙学研究所刘湘在一篇文章中曾介绍,关于暗物质究竟是什么,研究者曾对这种物质可能的形态做过很多理论上的猜测。就目前而言,被研究得最多也是最被看好的暗物质模型是所谓弱相互作用大质量粒子。这种粒子的特点是虽然没有电磁相互作用和强相互作用,但是参与弱相互作用,同时质量比质子和中子大。

  刘湘认为,WIMP之所以成为暗物质的热门候选者主要有3个原因:首先,WIMP具有“冷暗物质”的各种性质,而基于冷暗物质的宇宙学模型与观测符合得比较好。其次,在粒子物理理论中比较容易构造出符合WIMP特点的粒子。例如,流行的超对称理论就预言可能存在最轻超对称粒子,这种粒子如果不带电就很容易符合WIMP的特性。最后,WIMP具有弱相互作用截面,而按照统计物理的粒子退耦理论计算,WIMP的数量也刚好和暗物质密度的观测值在同一个数量级。即WIMP可以很好地放入我们今天的宇宙理论模型里。
 

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