[科普中國(guó)]-揭秘暗物質(zhì)神秘隱形斗篷

據(jù)外媒報(bào)道，安裝于國(guó)際空間站的粒子物理試驗(yàn)設(shè)備阿爾法磁譜儀近日獲取了關(guān)于反質(zhì)子流抵達(dá)地球大氣層的最新數(shù)據(jù)，這一數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性前所未有。兩個(gè)獨(dú)立的研究團(tuán)隊(duì)同樣采用這一最新數(shù)據(jù)，取得了一致的研究成果。他們聲稱(chēng)，一些反質(zhì)子應(yīng)該是產(chǎn)生于暗物質(zhì)粒子碰撞。

這一發(fā)現(xiàn)并非科學(xué)家首次嘗試發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的證據(jù)。但考慮到阿爾法磁譜儀最新數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，最新發(fā)現(xiàn)應(yīng)該可以看作是最強(qiáng)有力的證據(jù)。

（圖片來(lái)源網(wǎng)絡(luò)）

暗物質(zhì)作為宇宙最神秘的力量，上世紀(jì)20年代開(kāi)始引起了科學(xué)家的注意，長(zhǎng)達(dá)近一百年的科學(xué)研究已基本證明它的存在，因測(cè)量方法或計(jì)算方法不準(zhǔn)確所導(dǎo)致不同結(jié)果的誤差，有人質(zhì)疑它不足以證明真的有“暗物質(zhì)”存在，但就現(xiàn)有的科技與認(rèn)知來(lái)看，學(xué)界更傾向于其“存在”的理論與證明方法。暗物質(zhì)到底是啥？

籠統(tǒng)地說(shuō)，暗物質(zhì)一種暫未被準(zhǔn)確定義的構(gòu)成宇宙的一種物質(zhì)，2013年，歐洲普朗克宇宙探測(cè)器團(tuán)隊(duì)推測(cè)宇宙的年齡為137.98±0.37億歲，由4.9%的普通物質(zhì), 26.8%的暗物質(zhì)和68.3%的暗能量組成。

而暗物質(zhì)之所以稱(chēng)為“暗物質(zhì)”，那是因?yàn)橐罁?jù)已有的證明暗物質(zhì)存在的證據(jù)，沒(méi)有一種已知粒子符合它的特點(diǎn)。

首先，暗物質(zhì)不發(fā)光卻有引力，因?yàn)槲覀兪峭ㄟ^(guò)引力方法測(cè)量到它的存在。

其次，暗物質(zhì)粒子的主要性質(zhì)有以下三點(diǎn)：

2.暗物質(zhì)主要是冷的，也就意味著它的速度比較低，質(zhì)量比較大；

3.暗物質(zhì)粒子之間的相互作用很弱。暗物質(zhì)粒子不參與電磁相互作用，它們之間存在的引力相互作用以及可能存在的弱相互作用，這兩種作用都很弱。

在新的粒子物理模型中，有很多粒子的性質(zhì)很像暗物質(zhì)粒子，可惜，沒(méi)有一個(gè)完全符合。

下面我們逐個(gè)分析。下圖是標(biāo)準(zhǔn)模型，包含除了引力子以外的所有已知粒子：

圖：現(xiàn)有粒子模型

從左上角看起。右上角是夸克家族，包括六類(lèi)夸克，共計(jì)36種。為什么夸克不能是暗物質(zhì)粒子呢？因?yàn)榭淇硕紟щ?，帶電就?huì)發(fā)光。

左下角是輕子家族。電子、μ子和τ粒子都帶有電荷。而中微子雖然不帶電荷，但它質(zhì)量比較輕，速度比較大。

右邊是玻色子家族。其中，光子是電磁相互作用的媒介粒子，肯定不是暗物質(zhì)。W及Z玻色子雖然是弱相互作用的媒介粒子，但它們不穩(wěn)定。膠子是強(qiáng)相互作用的媒介粒子。

最中間還有一個(gè)不標(biāo)準(zhǔn)的玻色子，是希格斯粒子。它的衰變非常快速，不穩(wěn)定。

經(jīng)以上排除，我們大致可推知暗物質(zhì)粒子應(yīng)是未知的一種新粒子。

尋找暗物質(zhì)

目前，用于尋找暗物質(zhì)的方法大致有以下三種：

1. 模擬宇宙大爆炸：利用大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，模擬宇宙大爆炸之初的樣子，試圖發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)；

2. 探測(cè)暗物質(zhì)例子與普通例子碰撞發(fā)生的信號(hào)：根據(jù)科學(xué)觀測(cè)，暗物質(zhì)與普通物質(zhì)有極小概率會(huì)碰撞并發(fā)出信號(hào)，但由于信號(hào)太弱，為了屏蔽其他宇宙射線(xiàn)的影響，我們選擇將精密儀器置于地底的深坑進(jìn)行探測(cè)；

3. 空間間接探測(cè)：暗物質(zhì)粒子可能會(huì)湮滅或衰變，該過(guò)程中發(fā)出的宇宙射線(xiàn)可能被發(fā)射到太空中的探測(cè)器探測(cè)到。

我國(guó)的暗物質(zhì)探尋之路

我國(guó)探測(cè)暗物質(zhì)的方法屬于空間間接探測(cè)——2015年12月17日，中國(guó)首顆暗物質(zhì)例子探測(cè)衛(wèi)星DAMPE發(fā)射，中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)中首批確定立項(xiàng)研制的4顆科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星之一，是目前世界上迄今為止觀測(cè)能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星。

我國(guó)暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星的主要科學(xué)目標(biāo)有三個(gè)：一是暗物質(zhì)間接探測(cè)，也是最主要的；二是尋找宇宙射線(xiàn)的起源；三是伽馬射線(xiàn)天體物理。

DAMPE****衛(wèi)星結(jié)構(gòu)及功能

圖：DAMPE內(nèi)部結(jié)構(gòu)

這顆衛(wèi)星由四大部分組成，從上往下依次是：塑料閃爍體探測(cè)器；Si陣列探測(cè)器；BGO量能器，中子探測(cè)器。其功能分別為：

塑料閃爍體探測(cè)器：區(qū)分電荷。電子和光子打進(jìn)來(lái)，是不同的。

Si****陣列探測(cè)器：測(cè)量宇宙線(xiàn)的方向和電荷。

BGO****量能器：最為重要，測(cè)量宇宙線(xiàn)的能量。

中子探測(cè)器：區(qū)分質(zhì)子和電子。如上圖所示，質(zhì)子打進(jìn)來(lái)的話(huà)，在底端會(huì)產(chǎn)生很多中子，而高能宇宙線(xiàn)的電子打進(jìn)來(lái)，產(chǎn)生的中子很少。

DAMPE衛(wèi)星主要的科學(xué)儀器無(wú)論在重量、功耗，還是電子學(xué)線(xiàn)路的復(fù)雜度、工程實(shí)現(xiàn)難度方面都超出了以往。與國(guó)際上其它暗物質(zhì)探測(cè)衛(wèi)星相比，它具有三個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)：

1. 能夠測(cè)量的宇宙線(xiàn)的能量非常高，可以測(cè)量到104個(gè)GeV；

2. 能量分辨率高，可以達(dá)到1%左右，測(cè)得比較準(zhǔn)；

3. 測(cè)量能量的本底比較低，也就是區(qū)分電子和質(zhì)子的能力非常強(qiáng)。

對(duì)了，它還有個(gè)十分中國(guó)風(fēng)的名字——“悟空號(hào)”，取“探索、領(lǐng)悟太空”之意，也寄予了我們盼望它如孫行者一般在杳渺太空能為我們?nèi)』亍罢娼?jīng)”的美好愿望。

雖然暗物質(zhì)探索道阻且長(zhǎng)，且到目前為止我們并不十分清楚它的真正應(yīng)用價(jià)值及可能的探測(cè)后果，但是人類(lèi)現(xiàn)有的幸福都是從當(dāng)初的已知的0%開(kāi)始的，如今宇宙那未知的26.8%仍在等待著我們，希望這朵“籠罩在21世紀(jì)物理學(xué)天空中的烏云”終有一天能夠散開(kāi)，不再有“妖魔”阻擋科學(xué)的康莊大道。

暗物質(zhì)粒子的壽命比較長(zhǎng)。因?yàn)橛钪嫜莼艘话偃鄡|年，暗物質(zhì)仍然存在?？梢酝茰y(cè)，要么暗物質(zhì)是和質(zhì)子一樣，不會(huì)衰變的；要么暗物質(zhì)雖然衰變，但速率非常低；