人类下一个重大科学发现：暗物质粒子之谜
[导读]希格斯玻色子是21世纪人类取得的一项重大科学发现，但在此后物理学界的方向将是什么？多数科学家认为暗物质粒子可能在下一个人类科学重大发现。
科学家已经发现了一些关于暗物质的线索，认为下一个十年内可能会揭开暗物质粒子之谜讯（Everett/编译）据国外媒体报道，2013年的诺贝尔物理学奖可能将被授予在上帝粒子发现领域有着突出贡献的科学家，希格斯玻色子的发现也意味着标准模型的最后一块拼图找到了，那么在这之后我们还将面对哪些物理界的难题呢？下一个即将被攻克的物理谜团可能是什么呢？大约50位粒子理论学家认为希格斯玻色子的发现将在未来一段时间内指引物理学界的发展，其背后可能揭示着另外一些更加令人捉摸不透的奥秘，比如暗物质。宇宙中的暗物质无法通过电磁作用探测到，但是这并不意味着暗物质无法被察觉，暗物质可以表现出引力的作用，目前我们对暗物质的发现已经取得了一定进展。希格斯玻色子被物理学家们寄予了厚望，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机为标准模型补上了所缺的部分，但是标准模型依然是不完整的，因此科学家希望能从希格斯玻色子上寻找到新物理的突破口，指引新的理论方向。西班牙马德里自治大学科学家路易斯·伊瓦涅斯认为大型强子对撞机似乎没有发现新物理学的痕迹，根据一项最新的调查显示，物理学家们打算放弃对“上帝粒子”的希望，有59%的人相信大型强子对撞机将发现新的物理方向。欧洲核子研究中心CMS实验的科学家托马索·多里戈认为我们现在收集到的数据应该显示出一些关于新物理方向的清晰信号，CMS实验为紧凑μ子线圈，是LHC实验主要计划之一。除了暗物质之外，另一个有望引起更大轰动效应的就是超对称，但是到目前为止科学家并没有观测到对称性的存在，大型强子对撞机也没有发现支持该理论的证据，只要24%的物理学家支持超对称，认为其是未来新物理的方向。大概在三或四年前，超对称依然很火热，但实验过程并没有发现足够证据支持该理论，超对称呈现衰落的迹象。科学家预计，未来10年内，我们会发现暗物质粒子的行为，暗物质在宇宙质能中占据了26%左右，目前科学家普遍的看法是暗物质粒子的研究有望取得更大的突破。
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还能输入140字暗物质之谜（2）
作者：苗千来源：三联生活周刊
根据目前宇宙学的基础理论，整个宇宙的70%由暗能量构成，25%由暗物质构成，只有5%由目前人类所能够理解的“普通物质”构成。几十年来，人们一直在探索暗物质的本质，可是直到现在暗物质对于人类来说仍然是一个谜。
瑞士天文学家弗里茨&兹威基
来自美国密歇根大学和斯坦福大学等机构的科学家们通过分析位于夏威夷的昴星团望远镜的观测结果，认为在宇宙中存在着由暗物质构成的&宇宙网&，这个网络决定了宇宙中物质分布的基本架构。他们通过研究Abell222与Abell223星系团，发现在这两个星系团之间存在着一个由暗物质构成的连线。他们认为，这证明了宇宙中的发光物质组成的星系团大多出现在由暗物质构成的宇宙网的节点处，这一结果在2012年7月份发表在《自然》杂志上。
暗物质星系似乎遍布宇宙各处。2012年1月，在远离银河系的宇宙的另一个区域，一组美国科学家发现了一个目前为止距离地球最遥远的暗物质星系，这个距离地球100亿光年之外的星系大部分由暗物质构成。这个暗物质星系同样也附着在一个大星系的边缘。暗物质星系是否多为卫星星系，是否都附着在大星系的边缘，它们都具有怎样的性质？通过人类目前发现的这几个暗物质星系还无法得出结论。位于夏威夷的KeⅡ望远镜正在继续观察宇宙的其他领域，希望发现更多的暗物质星系，从而归纳出暗物质星系的特点。
在宇宙中对于暗物质星系的探测可以检验宇宙学的各种理论，但是要想探明暗物质粒子的性质，还需要在地球上进行。地球上的暗物质探测器为了不受高能宇宙射线的干扰，大多安置在地下深处。暗物质粒子的候选者，除了目前人们已经有所了解的，可以以近似光速运动的中微子，科学家们还构想出了一种&弱相互作用大质量粒子&即WIMP粒子。这种只能通过引力和弱相互作用进行探测的假想中的粒子，究竟具有什么性质，只能通过暗物质探测器进行探测。目前在地球上的暗物质探测器，给出了相互矛盾的结果：在美国明尼苏达进行的CoGeNT实验和在意大利进行的DAMA/LIBRA实验显示，在每年6月份探测到的暗物质粒子最多，而12月份探测到的暗物质粒子最少，其他月份探测到的暗物质粒子则都差不多。有的科学家认为，这是因为在银河系中充斥着暗物质粒子，地球在银河系中穿行，暗物质粒子像风一样吹来，在6月份时地球迎着暗物质&粒子风&运行，因此探测到的暗物质粒子最多；在12月份时地球运行与暗物质&粒子风&同向，因此探测到的暗物质粒子最少。这个假设固然听上去不无道理，但是在更为灵敏的暗物质探测，CDMSⅡ实验和XENON100实验中，却没有观测到这个现象。彼此矛盾的探测结果让科学家们不知所措，只能继续找办法探测暗物质粒子的运行方向。
来自美国生物足迹公司的科学家安杰&德鲁克(Andrzej Drukier)正在准备制造一种特殊的暗物质粒子探测器，这个探测器有一个面积为1平方米的金箔，金箔上面则布满了单链DNA分子。当暗物质粒子经过这个探测器时，它有可能通过弱相互作用撞击到金原子核，使金原子偏离原来位置。这样，原本附着在金原子上的DNA分子也会偏离原来的位置而被人们检测出来&&通过这种方式，这个新型的暗物质探测器不仅可以探测到暗物质粒子，还可以显示出暗物质粒子的运行方向和能量，这个探测器在理论上可以比现有的暗物质探测器灵敏100倍以上。现在，科学家们正在制作这种新型的探测器，也许不久以后就会得到来自它的探测结果。
人类对于暗物质这种看不到、摸不着，至今仍然毫无头绪的神秘物质的探索，可能比故事中摸象的盲人还面临着更多的困难。在人类探索暗物质的过程中，一个个相互矛盾的假说或是数据让人迷惑，也在刺激着人们的想象力。宇宙的另一面，自然界更深的秘密，就是这样，以一种笨拙的方式，被一点点揭开。
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网络编辑：刘暮彤
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　来源：　
　　日凌晨3：30，麦克默多，南极。
　　负责释放科学实验气球的工作人员在零下40多摄氏度的气温下彻夜未眠，等待着风力减退。最后总算天从人愿，充着上百万立方米氦气的大气球终于升空了。气球上搭载有科学仪器，科学家要用它来开展宇宙线实验。
　　在随后的19天里，气球在南极上空飘了一圈，收集了大量数据。经过紧张处理，一年之后，实验人员宣布了一条重大消息：他们探测到高能电子比预期的要多。这个结果听起来似乎没什么，但在内行人的眼里却意义重大，这些高能电子或许正是“神龙见首不见尾”的暗物质向我们泄露的蛛丝马迹。
　　捕捉到了暗物质粒子的行踪
　　暗物质是天文学上的后来者，这种不可见的物质被认为占宇宙中物质总量的80%以上。它好比宇宙的“脚手架”，没有它的引力，星系和星系团就会四散飞离。可是除了引力，它跟普通物质几乎没有相互作用，因此组成暗物质的是什么粒子，在科学上一直是个谜。目前可以肯定的是，暗物质粒子大概只参与弱力和引力作用，而且具有较大的质量。物理学家一般笼统地称其为“弱相互作用大质量粒子(英文缩写WIMP)”。
　　但事实上，满足这两个特征的粒子理论上不止一种。因此，物理学家的任务就是结合实验，把真正的暗物质粒子筛选出来。没有比这件事更艰难和扑朔迷离的了。
　　早在1990年代，搭载于美国“发现号”航天飞机上的磁谱仪就在太空中探测到比预期更多的正电子，此后，搭载于高空气球上的反物质探测器也观察到了同样现象。但由于这些实验误差太大，人们还不敢确认这一结果是否属实。
　　就在科学家进行南极实验之前几个月，意大利的一个研究小组报道说，他们在基于人造卫星的实验中也发现了比预期要多的高能电子。后两次实验相当精确，因此看来结果已经不再含糊。天体物理学家长久以来一直努力从不涉及暗物质的寻常途径来解释这些多出的正负电子。如果寻常途径解释不通，那么最大的可能是它们来自WIMP粒子的湮灭。
　　按照理论家的设想，这种WIMP粒子的质量是质子的600到1000倍，不论它们在何处大量积聚，都会因相互碰撞而湮灭，释放出像正负电子和质子之类的普通粒子。这些次生的粒子很容易跟宇宙线与星际尘埃碰撞时产生的粒子混在一起，使我们难以辨认它们究竟来自暗物质还是来自宇宙线。
　　暗物质粒子是什么粒子？
　　如今，事情是如此激动人心。但当人们试图辨别这种WIMP粒子是什么粒子的时候，却陷入了困境。
　　原来，自20世纪80年代以来，WIMP的首选粒子是“中性微子”——一种理论上假想的稳定粒子。这种粒子，物理学家一开始并不是为了暗物质，而是为了修正粒子物理的标准模型而提出来的。它质量足够大，与普通物质只有弱相互作用，这一切刚好符合暗物质粒子的条件，而最重要的是，它在早期宇宙中的密度刚好可以解释我们今天观察到的暗物质分布。
　　然而，上述几个实验的结果却对暗物质粒子给出了额外的限制条件，而中性微子似乎满足不了这个条件。根据物理学家对中性微子的理解，它们湮灭时产生少量的高能电子和大量的低能电子。可是上述实验观察到的却相反：高能电子比低能电子要多得多。此外，中性微子湮灭按理应该还要产生正反质子，但实验中却没有观察到。这些证据不得不把中性微子排除在外。
　　于是人们现在倾向于另一种暗物质粒子候选者，这种粒子叫“卡鲁扎-克莱因”粒子。它最初是在20世纪30年代提出来的。当时，德国物理学家卡鲁扎和克莱因为了统一引力和电磁力，假想存在空间的额外维度，而卡鲁扎-克莱因粒子就是这一理论的副产品。
　　根据卡鲁扎-克莱因的理论，像电子这类已知的粒子，当它们进入蜷缩的、隐藏起来的空间额外维度时，会以不同的速度运动。在额外维度运动的能量在我们这个世界表现为质量。所以，一个在更高维度运动的电子在我们看来就变成了更重的卡鲁扎-克莱因电子。这些重粒子是短寿命的，会衰变为较轻的粒子，而它衰变的产物正好具有暗物质的性质。
　　卡鲁扎-克莱因粒子还有另外一个迷人之处。当它们相互碰撞并湮灭时，就转化为正负电子或者正反μ子，而这些粒子的能量刚好与上述几个实验的结果相符合。
　　如果科学家能够证明卡鲁扎-克莱因粒子存在，那么他们不仅解决了暗物质难题，还将证实空间除了上下、左右、前后等维度外，还存在更高的维度。这真是一箭双雕的大好事。
　　我们身边隐藏着一个暗世界？
　　宇宙除了可能具有更高维度，暗物质或许还告诉我们，宇宙比我们想象的还要奇怪。
　　事情还得追溯到2002年。这一年欧洲宇航局发射的伽马射线卫星在银河系中探测到能量为511KeV的光子。经过认真排查，它们看来不像来自寻常的天体。
　　难道这些光子也来自暗物质？美国哈佛大学的一位物理学家经过计算表明，如果WIMP粒子在相互碰撞时能进入一个激发态，那么它们回到基态时，就可以发射出511keV的光子。
　　但是要想让上述计算成立，必须假设WIMP粒子通过一种新的相互作用力作用。日常的作用力，像电磁力是靠光子在电荷间彼此传递的。同样的道理，新的力也需要一种假想的粒子在WIMP之间传递，这种粒子的质量与质子相近。
　　暗物质，暗物质粒子，暗相互作用力，传递暗相互作用力的粒子……看来已经具备了一个独立的隐世界的所有条件了。这个隐世界可能与我们这个可见的世界一样复杂，甚至与我们比邻而居，只是因它与我们这个世界很少交流(即相互作用)，我们才觉察不到它。
　　引入暗作用力甚至还可以把目前所有有关暗物质的实验结果给统一起来。比如说，假设WIMP粒子之间存在暗相互作用，那湮灭的概率就提高了100至1000倍(好比引力的存在提高了天体之间碰撞的概率一样)，这样一来正好可以解释本文最初提到的实验结果，因为要是湮灭概率太低，我们就很可能观察不到湮灭产生的高能电子。
　　计算还表明，当WIMP粒子湮灭时，还会产生传递暗相互作用力的粒子，而后这些粒子将发生衰变。因为它们的质量差不多与质子相等，要衰变成质子和反质子显得太轻了，所以只能衰变成更轻的电子和正电子了。这或许就是我们为什么探测到的正负电子比预期的要多，而又探测不到正反质子的原因。 (摘自《大科技》)[责任编辑:吴劲珉]
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