如何理解反物质和暗物质之间的联系？

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在美籍华人丁肇中博士主持研究的阿尔法磁谱仪项目中，探测到了来自宇宙射线中的正电子，还剩最后一个特征正电子产生率是否会突然下降就能确定是不是暗物质碰撞产生，想问下暗物质碰撞为什么能够产生正电子，是基于什么现有理论推导出来的吗？

herohchn

1. 暗物质碰撞产生正电子
正粒子（particle）和反粒子（anti-particle）相撞会产生泯灭（annihilation），可转换为两个光子将其能量释放出去。如下图，绿点代表正反粒子，在橘黄色爆炸点处碰撞，红色曲线是释放出来的光子。


这个过程可逆——两个光子相撞（第二个橘黄爆炸点），只要光子的能量够强，可重新产生一对正反物质（最右边的两个绿点）。

如果你遮住中间的两砣橘黄爆炸点，那么可以看成一对正反粒子泯灭，产生了一对新的正反粒子。如果第一对正反粒子是暗物质，第二对是正电子和电子，便是题主的答案了。这个现象发生的条件是必须符合能量守恒，也就是暗物质的质量必须大于或等于电子的质量（不能无中生有）。暗物质高于电子质量的情况下，多出来的质量可以以动能方式散发出去。

2. 阿尔法磁谱仪（Alpha Magnetic Spectrometer，以下简称AMS）
AMS是一个安装于国际空间站上的粒子物理试验设备，目的在于利用太空的独特环境，探测宇宙中的暗物质和反物质。安在国际空间站上的AMS长这个样子（来源：Bertucci's AMS talk）：


最新的AMS结果发现，高能粒子中，反粒子的比例远远超出我们的预期。这里说的反粒子不只包括正电子，也包括反质子（anti-proton）。下图（来源：CERN）中横轴是能量，竖轴是反质子和质子比，红点是实际数据，宽线是预期的模型（用宇宙线模型做出来的），红点远高于预期模型。这部分超出预期的反质子有可能由暗物质泯灭而产生。（感谢 @outmannov huang 指正用图，之前用的是质子能量谱）。


3. 暗物质还是脉冲星（Pulsar）？
上面我们说到，暗物质碰撞可能产生反粒子。然而其他很多方法都可以产生反粒子，比如常见的宇宙线和星际介质的碰撞是大部分反粒子的来源，现在的宇宙线模型也许并不完整。

另外一个可能性是，这些反粒子来源于附近的脉冲星，脉冲星中有强大的磁场，可以从其中的中子星表面卷起各种粒子。这些高速运行的粒子和光子相撞，通过逆康普顿（inverse Compton）效应产生的高能光子可导致对偶产生（pair production），制造大量的正粒子，如下图（来源: Aharonian2012）。



这些过剩的反粒子究竟是源于暗物质，还是脉冲星？Profumo提出可以通过粒子的方向性来辨别。如果这些粒子都是来源于同一个方向，那么很可能就是脉冲星，反则来源于暗物质。因为暗物质应该是均匀地分布在太阳系周围，所以信号应该是来自四面八方的。但是目前AMS对粒子的方向并没有太高的灵敏度，所以暂时无法区分这两个来源。

4. 资料来源：
Schael's AMS talk
Bertucci's AMS talk
Profumo's DM talk
Wikipedia: Alpha Magnetic Spectrometer
AMS Scientific Publications
Aharonian2012

gonet8

基于把暗物质当成Majorana粒子，即是自身的反粒子。正粒子和反粒子可以互相湮灭，产生标准模型的正反粒子对，比如电子和正电子。
当然Majorana并不是必须的，因为暗物质的量子数大多为0，所以也可以decay到标准模型粒子。因为电荷守恒所以产生的必定也是正反粒子对。