【群星暗物质科技】科技手抄报：暗物质里藏着宇宙质量之谜

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　　在国际空间站上守望太空的阿尔法磁谱仪(AMS)，“上岗”一年多来让物理学家忙个不停。2月20日，该项目的提出者和首席科学家丁肇中透露，AMS首批数据的分析报告将在几周内发表，很可能将是暗物质研究的阶段性突破。

　　继去年宣布发现“疑似上帝粒子”之后，暗物质正成为物理学界着力攻打的前沿目标，相关消息和猜想不时见诸媒体。那么，暗物质究竟有多“暗”，物理学家又是如何计划用科学之光去照“亮”它呢?

　　20世纪30年代，瑞士天文学家弗里兹·茨威基(Fritz Zwicky)研究了距离我们约两亿光年的COMA星系团，他先测量了星系团中各个星系的亮度，通过已知的亮度和质量的关系，得出了可以看见的星系团质量。接下来，他又测量了各个星系的公转速度以及它们到星系团中心的距离，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。

　　为什么要寻找暗物质?

　　在宇宙学中，暗物质(dark matter)又称为暗质，是指无法通过电磁波的观测进行研究，也就是不与电磁力产生作用的物质。暗物质不发光，也不反射光，无论用什么波段的光，都找不到它们。

　　然而科学家却相信，暗物质是确实存在的。这是因为质量泄露了它们的蛛丝马迹。

　　1933年，瑞士天文学家兹威基通过测量发现，按照引力定律，所观察的星系“质量不够”，不足以使其凝聚在一起。此后几十年中科学家对宇宙膨胀速度的测量、星系形成过程的模拟，也表明宇宙的总质量应该远远大于已知物质的总质量。

　　这些现象迫使天文学家和物理学家提出，宇宙中存在“暗物质”和“暗能量”，这些暗物质并不是由现有物理标准模型中的粒子所构成的。暗物质只参与引力作用，让恒星、星系和宇宙能成为今天我们所能看到的样子;而不参与电磁力作用，因此使用传统的手段无法探测。

　　目前的测算表明，组成人们已知物质的质子、中子、电子等粒子，只占宇宙的4%—5%，而暗物质则占了宇宙的23%，还有72%—73%是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量。也就是说，宇宙中绝大部分的物质和能量，对今天的科学来说都属于未知。如果能找到暗物质，将使人类对宇宙的认识向前迈进一大步，了解到更加深远的物质世界。

　　AMS如何寻找暗物质?

　　为了寻找暗物质，被称为“史上最昂贵的太空实验”的阿尔法磁谱仪(AMS)应运而生。该项目由美国华裔物理学家、诺奖得主丁肇中在1990年代中期提出，造价20多亿美元，重达7吨，于2015年5月由即将退役的“奋进”号航天飞机发射升空，被放置在国际空间站上。

　　AMS是一个国际项目，核心部件就是由中国科学家研发制造的永磁体及反符合计数器。永磁体会使带电粒子的运行轨道发生拐弯，通过测量弯曲程度，配合其他仪器测出的粒子质量、动量，就可以知道捕获了何种粒子。AMS的一个重要任务，就是验证暗物质到底由什么粒子组成。

　　AMS在最初18个月中，采集了250亿次粒子事件。2月20日，担任项目首席科学家的丁肇中透露，AMS首批数据的分析报告将在几周内发表，其成果有望帮助理解暗物质的构成。

　　根据目前比较主流的猜想，暗物质是由弱相互作用质量子(WIMP)组成的，而WIMP碰撞湮灭，会放射出日常很难见到的正电子。因此，如能测量到高比例的正电子，将是对WIMP暗物质理论的一种支持。

　　据参与AMS项目的中科院高能物理所研究员陈国明介绍，AMS首批数据的分析显示，正电子和负电子的比例曲线在30―40GeV(注：eV为电子伏特，是粒子能量单位)区间开始向上，一直到300GeV。这是显示正电子比例较高的一个指证。

　　AMS的数据由全球6个小组分析，并互相“挑错”以达成一致。陈国明表示，中国小组的分析成果成为论文的关键环节。据介绍，正电子动量很高时，正负电荷的确定变得不容易;另一方面，正电子和质子由于带电荷相同，也容易混淆。中科院高能所已就此研究了数年，数据分析相当精确。12

　　寻找暗物质，科学家纷纷“组队”

　　据介绍，此次AMS的阶段性成果并不能确证暗物质的构成——从理论上，正电子比例较高也有可能是地球附近某种天体现象引起的;也不能排除其他未曾被认识的物理现象的可能性。而在探寻并了解暗物质和暗能量的道路上，AMS绝非孤军奋战，全球已有多个科研团队和科学装置踏上了同样的征途。

　　大型强子对撞机(LHC)：在2015年发现很可能是“上帝粒子”的粒子后，这个世界最大的粒子加速器将已开始为期2年的闭关检修和升级，计划于2015年重新开通并达到最大能量，可进行每秒100亿次的对撞。暗物质则被列为它下一阶段的主要探测目标。

　　格兰萨索地下实验室(GRAN SASSO)：位于意大利地下1700米的岩层，拥有目前世界最大的地下实验大厅，目前正在进行DAMA、CRESST、XENON100三项探测暗物质的实验，采用不同方法寻找WIMP碰撞产生的信号。

　　低温暗物质搜寻计划(CDMS)：实验装置位于美国一个地下800米处的废弃地下铁矿中，通过将硅、锗晶体至于极低的温度环境中，探测晶体内部粒子与暗物质粒子发生相互作用的振动。早在2015年，该实验就宣布找到了两例疑似WIMP的信号事例。

　　锦屏地下暗物质实验室：位于我国四川西昌的山体隧道中，是目前全世界最深的地下物理实验室。实验大厅上方有2.5公里厚的岩层阻挡宇宙射线，而且是放射性低的大理岩，把环境干扰降到最低。该实验计划用两个实验寻找WIMP发出的信号，目前已开始工作。

　　欧几里德太空望远镜：由欧洲空间局主导的项目，近日美国宇航局也宣布参加。该太空望远镜计划于2020年升空，到达第二拉格朗日点后在6年的任务期内，绘制宇宙中约20亿个星系的分布图，揭示宇宙间暗物质、暗能量的真相及其对宇宙进化的影响。

　　对于暗物质的探索，目前只是刚刚开了个头，科学家寄希望于它能让物理学在21世纪闯出一片新天地，使人类对宇宙的认识迈进一大步。正因如此，近年财政吃紧的西方国家依然没有放弃对暗物质研究的投入，而中国在该领域的动作也愈加令人期待。

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