找寻暗物质的最新进展——丁肇中主持的AMS项目首批研究成果

本刊资料室

1 暗物质存在的发现

1937年，天文学家弗·扎维奇（F.Zwick）发现，大型星系团中的星系的运动速度，远远超出星系团核心物质形成的结果，这表明除了人类已知的星系团核心物质对该星系的引力外，还存在其他物质的引力.这些物质观察不到，故称为暗物质.此后，天文学家通过引力透镜、宇宙中大尺度结构形成、微波背景辐射等研究表明：我们目前所知道的物质只约占宇宙的4%，暗物质则占了宇宙的23%，还有73%是暗能量.

在现代宇宙学中，暗物质是指那些自身不发射电磁辐射，也不参与电磁相互作用的一种物质，是我们已知的粒子（如质子、电子、中子等）之外的全新粒子.

2 暗物质的探测

图1 丁肇中

图2 阿尔法磁谱仪

目前，物理学家看好的暗物质模型是所谓弱作用重粒子.因为这种粒子与普通物质有微弱的相互作用，可以通过其相互作用效应来进行探测.其中又分为间接探测法和直接探测法.前者，是探测暗物质相互碰撞产生的普通物质粒子信号，一般通过地面或太空望远镜探测；后者，则是用原子核与暗物质碰撞产生的信号进行探测.丁肇中（图1）团队所使用的阿尔法磁谱仪2号（AMS-02）（图 2）是目前灵敏度最高，也是最复杂、最昂贵的一台暗物质探测设备，代表了当今科学实验的最高技术手段.

3 阿尔法磁谱仪项目的首批研究成果

诺贝尔奖得主、美籍华人物理学家丁肇中4月3日公布了其主持的阿尔法磁谱仪项目的首批研究成果，“阿尔法磁谱仪2”在从2011年5月至2012年12月的运转期间，记录了250亿个宇宙射线事件，已发现超过40万个正电子；实验观察到宇宙射线流中正电子存在的比率符合关于暗物质存在的理论预测，但目前尚没有充分证据排除其他可能性：即这些正电子有可能来自人类一直寻找的暗物质，也可能来自银河系的脉冲星等天体.报告显示，在5亿至100亿电子伏特区间内，正电子占正电子和电子总和的比例随能量的增加而减少；在100亿到2500亿电子伏特的区间内，比例递增；到2500亿电子伏特之后，比例曲线基本变平.正电子比例能谱没有随时间改变，同时高能正电子不是来自空间某个特定的方向.丁肇中指出：以上特征都支持正电子来源于暗物质，可是没有完全的证据.要确认正电子是由暗物质粒子碰撞、湮灭产生的，还需观测到正电子比例上升到峰值后是否有骤降.如果观察到骤降，说明来自暗物质对撞；如缓慢下降，则可能来自脉冲星.

4 揭开暗物质之谜的重大意义

暗物质的存在已经被人们普遍接受.人们认为目前的宇宙结构是由于暗物质的作用而形成.然而，目前被广泛认可的粒子物理学标准模型预言的62种基本粒子中不包含能解释暗物质的基本粒子，因此，揭开暗物质之谜将是继相对论以及量子力学之后，人们认识自然规律的又一次重大飞跃.目前，寻找暗物质粒子、研究暗能量的物理本质、探索宇宙起源及演化的奥秘已成为21世纪天文学和物理学发展的一个重要趋势.世界各国都在集中人力、物力和财力组织攻关，开展这一重大交叉学科的研究.