揭秘暗物质神秘隐形斗篷暗物质：你看不见我

漫随 · 发表于 2017-6-8 09:20:00

出品：科普中国
制作：生生不息团队党以凡
监制：中国科学院计算机网络信息中心
据外媒报道，安装于国际空间站的粒子物理试验设备阿尔法磁谱仪近日获取了关于反质子流抵达地球大气层的最新数据，这一数据的准确性前所未有。两个独立的研究团队同样采用这一最新数据，取得了一致的研究成果。他们声称，一些反质子应该是产生于暗物质粒子碰撞。
这一发现并非科学家首次尝试发现暗物质的证据。但考虑到阿尔法磁谱仪最新数据的准确性，最新发现应该可以看作是最强有力的证据。

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（图片来源网络）

暗物质作为宇宙最神秘的力量，上世纪20年代开始引起了科学家的注意，长达近一百年的科学研究已基本证明它的存在，因测量方法或计算方法不准确所导致不同结果的误差，有人质疑它不足以证明真的有“暗物质”存在，但就现有的科技与认知来看，学界更倾向于其“存在”的理论与证明方法。暗物质到底是啥？

笼统地说，暗物质一种暂未被准确定义的构成宇宙的一种物质，2013年，欧洲普朗克宇宙探测器团队推测宇宙的年龄为137.98±0.37亿岁，由4.9%的普通物质, 26.8%的暗物质和68.3%的暗能量组成。

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而暗物质之所以称为“暗物质”，那是因为依据已有的证明暗物质存在的证据，没有一种已知粒子符合它的特点。
首先，暗物质不发光却有引力，因为我们是通过引力方法测量到它的存在。
其次，暗物质粒子的主要性质有以下三点：
1. 暗物质粒子的寿命比较长。因为宇宙演化了一百三十多亿年，暗物质仍然存在。可以推测，要么暗物质是和质子一样，不会衰变的；要么暗物质虽然衰变，但速率非常低；
2.暗物质主要是冷的，也就意味着它的速度比较低，质量比较大；
3.暗物质粒子之间的相互作用很弱。暗物质粒子不参与电磁相互作用，它们之间存在的引力相互作用以及可能存在的弱相互作用，这两种作用都很弱。
在新的粒子物理模型中，有很多粒子的性质很像暗物质粒子，可惜，没有一个完全符合。
下面我们逐个分析。下图是标准模型，包含除了引力子以外的所有已知粒子：

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图：现有粒子模型

从左上角看起。右上角是夸克家族，包括六类夸克，共计36种。为什么夸克不能是暗物质粒子呢？因为夸克都带电，带电就会发光。

左下角是轻子家族。电子、μ子和τ粒子都带有电荷。而中微子虽然不带电荷，但它质量比较轻，速度比较大。
右边是玻色子家族。其中，光子是电磁相互作用的媒介粒子，肯定不是暗物质。W及Z玻色子虽然是弱相互作用的媒介粒子，但它们不稳定。胶子是强相互作用的媒介粒子。
最中间还有一个不标准的玻色子，是希格斯粒子。它的衰变非常快速，不稳定。
经以上排除，我们大致可推知暗物质粒子应是未知的一种新粒子。
寻找暗物质
目前，用于寻找暗物质的方法大致有以下三种：
1. 模拟宇宙大爆炸：利用大型强子对撞机，模拟宇宙大爆炸之初的样子，试图发现暗物质；
2. 探测暗物质例子与普通例子碰撞发生的信号：根据科学观测，暗物质与普通物质有极小概率会碰撞并发出信号，但由于信号太弱，为了屏蔽其他宇宙射线的影响，我们选择将精密仪器置于地底的深坑进行探测；
3. 空间间接探测：暗物质粒子可能会湮灭或衰变，该过程中发出的宇宙射线可能被发射到太空中的探测器探测到。
我国的暗物质探寻之路
我国探测暗物质的方法属于空间间接探测——2015年12月17日，中国首颗暗物质例子探测卫星DAMPE发射，中国科学院空间科学先导专项中首批确定立项研制的4颗科学实验卫星之一，是目前世界上迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星。
我国暗物质粒子探测卫星的主要科学目标有三个：一是暗物质间接探测，也是最主要的；二是寻找宇宙射线的起源；三是伽马射线天体物理。
DAMPE卫星结构及功能

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图：DAMPE内部结构

这颗卫星由四大部分组成，从上往下依次是：塑料闪烁体探测器；Si阵列探测器；BGO量能器，中子探测器。其功能分别为：

塑料闪烁体探测器：区分电荷。电子和光子打进来，是不同的。
Si阵列探测器：测量宇宙线的方向和电荷。
BGO量能器：最为重要，测量宇宙线的能量。
中子探测器：区分质子和电子。如上图所示，质子打进来的话，在底端会产生很多中子，而高能宇宙线的电子打进来，产生的中子很少。
DAMPE卫星主要的科学仪器无论在重量、功耗，还是电子学线路的复杂度、工程实现难度方面都超出了以往。与国际上其它暗物质探测卫星相比，它具有三个显著优势：
1. 能够测量的宇宙线的能量非常高，可以测量到104个GeV；
2. 能量分辨率高，可以达到1%左右，测得比较准；
3. 测量能量的本底比较低，也就是区分电子和质子的能力非常强。
对了，它还有个十分中国风的名字——“悟空号”，取“探索、领悟太空”之意，也寄予了我们盼望它如孙行者一般在杳渺太空能为我们取回“真经”的美好愿望。
虽然暗物质探索道阻且长，且到目前为止我们并不十分清楚它的真正应用价值及可能的探测后果，但是人类现有的幸福都是从当初的已知的0%开始的，如今宇宙那未知的26.8%仍在等待着我们，希望这朵“笼罩在21世纪物理学天空中的乌云”终有一天能够散开，不再有“妖魔”阻挡科学的康庄大道。