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暗物质探测卫星蓝羽数码“悟空”为什么要到天上去

时间:2017-11-29 14:48 来源:http://www.bmeetg.com/ 作者:舟山新闻网 阅读:

  导语:宇宙中分布着约68%的暗能量和27%暗物质,而我们看得见、摸得着的普通物质仅占5%,就如同深沉夜幕中几颗闪光的星星。为捕捉暗物质粒子湮灭或衰变后留下的痕迹,为寻找宇宙起源,科学家们一直都在尽力寻找这些夜空中最“暗”的星”。在SELF x 墨子沙龙的舞台上,暗物质粒子探测卫星首席科学家常进为我们讲述,探究暗物质粒子的科学历程。

常进   暗物质粒子探测卫星首席科学家   中科院紫金山天文台副台长

常进   暗物质粒子探测卫星首席科学家   中科院紫金山天文台副台长

  以下内容为常进演讲实录:

  我叫常进,目前是暗物质粒子探测卫星的首席科学家。我向大家介绍一下空间探测暗物质粒子的一些情况。

暗物质探测卫星蓝羽数码“悟空”为什么要到天上去

  从太阳系的边缘看地球,地球就像一颗太阳里的浮尘。银河系里大概包含了一千亿个这样的太阳,当我们从银河系里看太阳的时候,它根本连浮尘都算不上,是一个点。

  银河系是一个棒旋星系,包括一根棒,两个大的旋臂,两个大的旋臂又分了好多小的旋臂。银河系里的太阳与银河系中心的距离大概是2.5万光年。在北京兴隆山上,有个LAMOST望远镜,它是我国目前最大的光学望远镜,通过测量大量的恒星光谱,得出太阳的速度是每秒240公里。太阳绕银河系中间转,转一圈需要2.3亿年,所以你这辈子都不可能绕银河系转一圈了。

  我们知道,人造卫星绕地球转,离地球越近的时候速度越快,离地球越远的时候速度要慢下来。如果卫星在离地球很远的地方仍然保持高速,它肯定会跑出地球,飞进太阳系。

  但是有一个很有趣的现象,银河系里的发光物质或者气体的分布,大概是10万光年这样的尺度。根据太阳和银河系中间发光物质的分布,科学家可以准确地把太阳绕银河系的速度计算出来,大概是每秒160公里。

  但刚才我们提到,LAMOST观测到的太阳实际绕行速度不是160而是240公里,为什么太阳的速度这么快,却没有飞出去银河系呢?是因为太阳和银河系中间存在着大量我们还没看得见、看不见的物质,可能是暗物质。

  我们测量银河系外围的星云也就是气体绕银河系转的速度,发现它的速度也在200公里左右。根据这些尺度、速度、距离,我们大概推断出银河系里的物质分布大概是发光物质分布的10倍,还有90%的东西是不发光的。

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  这是一个微波背景图像,也就是宇宙大爆炸38万光年以后,宇宙辐射冷却下来的一个图像。现在宇宙学进入精确宇宙学时代,测温度我们精确到零点几个毫K,也就是10^-6开尔文的变化。

  图片里可以看到,有的地方红一点,有地方蓝一点,看上去相差很大,实际上是图片把它放大了,温度变化其实只有千分之一左右。这千分之一的变化,就表示了整个宇宙中的物质分布情况,有的地方分布得多,有的地方分布得少。

  根据这张图,再结合刚才的旋转曲线、X射线观测、引力透镜的观测情况,总之有大量的天文观测,现在的最新结果表示,宇宙中我们只弄清了5%,还有95%是看不见的暗物质和暗能量。其中暗物质大概占26%点几,接近70%的是暗能量。

  我今天重点讲暗物质。刚才讲了那么多天文观测结果,表明暗物质在宇宙中是肯定存在,但是暗物质的物理性质是什么呢?

  人类到目前为止已经弄清楚,物质是由61种基本粒子组成的。前几年“上帝粒子”被发现了,但是这61种基本粒子和暗物质粒子的物理性质都不吻合,那么暗物质粒子必须具备什么性质呢?

  长寿命、质量大,不参与强相互作用和电磁相互作用,只有引力相互作用,可能有弱相互作用,现在还未被证实。这就是暗物质粒子探测这么热门的原因,也就是说,如果我们在暗物质方面取得一些突破,肯定在标准的物理学上也会取得突破。

  61种基本粒子最难测出来的是希格斯粒子——上帝粒子。为什么它这么难探测?是因为不知道它的质量多大。

  这里我讲一个故事。我有个朋友他现在已经退休了,希格斯粒子——上帝粒子上个世纪60年代提出来的时候,他当时正好是念高能物理的研究生,他的主要研究方向就是寻找希格斯粒子。

  当时世界上认为,希格斯粒子在MeV(百万电子伏特)量级,认为在实验室就可以探测到——我们知道,核物理构成大部分在MeV。后来实验室并没探测到。有科学家认为,可能它在几十个MeV,接近GeV(十亿电子伏特),于是拿到加速器上去测。所以我这个朋友到斯坦福去做博士后,在斯坦福搞了5年还是没探测到,他认为希格斯粒子的质量可能在GeV以上,有十个GeV左右。

  那时候,德国有一个最大的加速器就叫DESY。我们知道丁肇中先生诺贝尔奖拿到以后,也是在DESY做高能物理实验。在DESY加速器上找希格斯粒子,花了有10年时间还是没找到,于是认为希格斯粒子的质量可能在几十个GeV。那时候,最大的加速器已经搬到欧洲核子中心,也就是瑞士日内瓦和法国交界的地方,名字叫LEP对撞机。

  我那朋友又在LEP上干了十几年,还是没有找到,认为希格斯粒子可能在100Gev以上。这时候更大的大型强子对撞机建好了,找到了希格斯粒子,但是他已经退休了。

  到目前为止,我们还不知道暗物质粒子质量究竟多大,但是我们希望这样的故事不要在我们身上发生。我们努力工作,希望能够尽快找到暗物质粒子。

  刚才讲了,暗物质在宏观分布上占宇宙的主要部分,但在微观密度上并不强,在地球附近的分布大概在每立方厘米0.3个质子。这个数字比较抽象,比如地球这么大的体积装满了暗物质,大概只有几公斤,所以在地球附近找到暗物质是一件很难的事情。

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  那么怎么去探测暗物质粒子?有三种方法,第一种是在加速器上探测。加速器上通过高温粒子碰撞模拟宇宙大爆炸,将暗物质粒子碰撞出来探测到它。

  目前最大的加速器,也就是发现上帝粒子的LEP强子对撞机,对撞能量目前已经到了13个TeV(1000GeV),实际是14个TeV。可惜四五年下来了,暗物质粒子探测方面没有取得什么成果。

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(责任编辑:舟山民生在线)

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