暗物质及其研究概况（4）
胡经国
六、理论成果
1、原质起源论
美国纽约布鲁克海文国家实验室和英属哥伦比亚大学的科学家的研究成果已发表在《物理评论快报》上。他们称这种新机制为“原质起源论”（Hylogenesis）。
英属哥伦比亚大学克里斯·西格森说：“我们正在努力把理论物理中的两个问题一起解释。这一机制将“原子形成和暗物质联系在一起”，有助于解开“重子不对称”的秘密，作为对整个“暗物质加可见重子”的平衡宇宙的一种重建。”
根据研究人员构建的机制，在物质形成景象中，早期宇宙产生了一种：新粒子X”和它的“反粒子X-bar”（带等量相反电荷）。X和X-bar在可见部分能结合成为夸克（重子物质的基本组成，如质子和中子）；在“隐匿”部分组成了粒子（由于这种粒子可见部分的相互反应是微弱的）。如此，在大爆炸开始后的第一时刻，当宇宙膨胀变热时会有“X和X-bar产生”。
随后，“X和X-bar将会衰变”，部分变成可见的“显重子”（尤其是中子，由一个“上夸克”和两个“下夸克”组成），部分变成不可见的“隐重子”。据科学家解释，“X衰变”成中子的频率比“X-bar衰变”成反中子的频率要更高；同样地，“X-bar衰变”为“隐反粒子”的频率比“X衰变”为“隐粒子”的频率要高。由夸克形成的“重子”物质，组成了可见物质，“隐反重子”形成了我们所说的暗物质。这种“阴－阳衰变方式”使得可见物质的“正重子”数量和暗物质的“负重子”数量达到平衡。
英属哥伦比亚大学特里姆研究中心的肖恩·图林说：“可见物质和暗物质的能量密度非常接近（1/5的不同）。在许多情况下，在广大宇宙的早期，生成可见物质和暗物质的过程是互不相关的。于是，这1/5的因素要么是早期出现的一个大偶然，要么是两种物质共同起源的重要线索。我认为，这为构建“可见物质与暗物质起源的统一模型”提供了主要依据。”
物理学家预测，这种“物质形成机制”将为寻找暗物质提供一个全新的途径；它们会留下一些可在实验室探测到的特征标记。科学家解释说，当暗物质反粒子和一个普通原子粒子相撞而湮灭时，就会产生爆发的能量。尽管这非常稀有，但是在地球上寻找“质子自发衰变”的实验中，能够探测到暗物质。
在天体物理学观测和离子加速器数据中，也可能会出现其他“原质起源”的信号。研究人员表示，今后也会在研究中考虑这些可能性。
2、理论模型
在历史上，人们将可能的暗物质分为三个大类：冷暗物质、温暗物质、热暗物质。这个分类并非依照粒子的真实温度，而是依照其运动的速率。
冷暗物质：在“古典速度”下运动的物质。
温暗物质：粒子运动速度足以产生“相对论效应”。
热暗物质：粒子速度接近光速。
虽然，可以有第四个称为“复合暗物质”（Mixed Dark Matter）的分类。但是，这个理论在20世纪90年代由于“暗能量”的发现而被舍弃。
3、暗物质探测实验
暗物质的探测在当代粒子物理及天体物理领域是一个很热门的研究领域。
对于“大质量弱相互作用粒子”来说，物理学家可能通过放置在地下实验室，背景噪声减少到极低的探测器“直接探测”WIMP；也可以通过地面或太空望远镜对这种粒子在星系中心、太阳中心或者地球中心湮灭产生的其他粒子来“间接探测”。
七、探测方法
1、探测手段
⑴、引力透镜法
⑵、旋涡星系的旋转曲线
⑶、星系中的恒星或星系团中的星系的速度弥散
⑷、星系团（及椭圆星系）的X射线气体的流体静力学平衡方法
⑸、星系团的苏尼亚耶夫－泽尔多维奇效
2、直接探测
直接探测WIMP偶尔会撞上一个原子核。这一碰撞会散射原子核，进而使之和周围的原子核发生碰撞。由此，科学家可以探测到这些相互作用所释放出的“热量和闪光”。对于暗物质的直接探测实验，一般都设置于地底深处，以排除宇宙射线的背景噪声。这类地下实验室包括美国的Soudan mine和DUSE、加拿大的SNOLAB、意大利的大萨索国家实验室（Gran Sasso National Laboratory）以及英国的Boulby mine。
⑴、三类探测器
2011年，大部分的实验使用“低温探测器”或“惰性液体探测器”。
低温探测器是在低于100mK的环境下，探测粒子撞击锗这类的晶体接收器所产生的热。而惰性液体探测器则是探测液态氙或液态氩中粒子碰撞产生的闪烁。低温探测实验包括CDMS、CRESST、EDEDWEISS及EURECA。惰性液体探测实验包含ZEPLIN、XENON、DEAP、ArDM、WARP和LUX。这两种探测技术都能够从其他粒子与电子对撞的噪声中，辨识出暗物质与核子的碰撞。
其他种类的探测器实验有SIMPLE和PICASSO。
⑵、方向性的暗物质探测方式
具有方向性的暗物质探测方式，是运用太阳系绕行银河系的运动。利用低压TPC，我们可以得知反弹路径的资讯，并且借此去了解WIMP（大质量弱相互作用粒子）与原子核的作用。从太阳行进方向入射的WIMP粒子的碰撞率呈现周期性变化讯号，可以从各向同性的背景噪声中分离出来。这类的探测实验包括DMTPC、DRIFT、Newage和MIMAC。
2009年12月17日，CDMS的研究团队发表了两个可能的WIMP事件。他们估计，这两起事件来自已知背景讯号（中子、错认的β射线或是伽马射线）的可能性是23%，并且作出了这样的结论：“这个分析结果无法被视作WIMP的有力证据，但是我们不能排除这两起事件来自WIMP的可能性。”
⑶、粒子的碰撞率呈现周期性变化
2011年5月，CoGeNT实验公布先前15个月的探测结果，显示粒子的碰撞率呈现周期性变化，夏天较高而冬天比较低。这可以看作是暗物质存在的证据之一。这个结果支持已经进行了13年的意大利的DAMA/LIBRA暗物质探测实验。CoGeNT的实验结果显示，探测到的WIMP（大质量弱相互作用粒子）的质量是中子质量的5～10倍。这与某些其他的实验结果不符；但是其他实验对低能暗物质的探测精度没有CoGeNT高。
3、间接探测
⑴、探测湮灭产生的讯号
暗物质的间接探测，主要是观测其“两两湮灭”时所产生的讯号。由于其湮灭所产生的粒子与其暗物质的模型有关，因而有许多种类的实验被提出。假设暗物质是“马约拉那粒子”，那么两个暗物质对撞会湮灭产生“伽马射线”或“正负粒子对”。如此，可能会在星系晕生成大量伽马射线、反质子和正电子。然而，在完全了解其他来源的背景噪声以前，这类的探测不足以当作暗物质的决定性证据。
⑵、伽马射线探测
EGRET伽马射线望远镜，过去观测到了超出预期量的伽马射线；但是科学家认为，这多半是来自系统中的效应。而自从2008年6月11日开始启动的费米伽马射线太空望远镜，则正在搜寻暗物质湮灭产生伽马射线的事件。在较高能量区间，地上的MAGIC伽马射线望远镜，已经对矮椭球星系以及星系团中的暗物质给予了某些限制。
4、探测目的
⑴、低温暗物质搜寻项目（CDMS）
低温暗物质搜寻项目（CDMS），旨在使用探测器探测粒子之间的互动，找到暗物质粒子引起的运动。
美国科学家在位于加利福尼亚大学校园的隧道里的实验室，2009年检测到了两种可能来自于暗物质粒子的信号。但是，他们同时表示，这些信号与暗物质粒子的相似度不高。他们在明尼苏达州的Souden煤矿地下大约714米处安装更高级的实验室设备，以进行二期低温暗物质搜寻项目（CDMSⅡ）。
暗物质现象会受到进入地球的宇宙射线的干扰；要减少宇宙射线μ介子粒子的背景信号影响，唯一的办法是到地底深处，这样才有把握确认暗物质的构成。
⑵、阿尔法磁谱仪（AMS）探测反物质和暗物质
阿尔法磁谱仪（AMS），又称为反物质磁谱仪，配备了超导磁铁和超高精度探测器。其主要目的是探测宇宙中的反物质和暗物质。第一台AMS-01，在1998年进入轨道。科学家认为，阿尔法磁谱仪探测到的数据已经打开了一个全新世界的大门。这台价值20亿美元的仪器，将揭开宇宙中的暗物质之谜。初步估计，几个月内将公布重大的发现。
宇宙的暗物质被认为只产生引力效应，不参与电磁力作用。我们可见的宇宙物质仅为4%，而暗物质则占了23%，其余的为暗能量。暗物质的充斥着整个宇宙空间，将星系包围。科学家已经察觉到暗物质的存在，但是从来没直接观测到它的存在。
丁肇中团队使用的阿尔法磁谱仪（AMS），是安置于太空中的精密粒子探测装置；是自从2013年以来灵敏度最高、最复杂、最昂贵的一台暗物质探测设备。它代表了当今科学实验的最高技术手段，由16个国家和地区的600余名科学家历时近18年完成，耗资21亿美元。其实验过程可能持续15～20年。
⑶、低温无碰撞暗物质 （CCDM）
由于综合了低温无碰撞暗物质（CCDM），因而标准模型在数学上是特殊的。尽管其中的一些参数至今还没有被精确的测定，但是我们依然可以在不同的尺度上来检验这一理论。
能观测到的最大尺度是宇宙微波背景（CMB）（上千个Mpc）。CMB（宇宙微波背景）的观测，不仅显示了“原初的能量和物质分布”；同时该观测也显示了这一分布几乎近于均匀而没有结构。
下一个尺度是星系的分布，从几个Mpc到近1000个Mpc。
在这些尺度上，理论和观测符合的很好。这也使得天文学家有信心将这一模型拓展到所有的尺度上。
八、探测成果
1、暗物质和人体组织发生相互作用
2012年4月，密歇根大学的Katherine Freese与瑞典斯德哥尔摩大学的Christopher Savage，计算出了暗物质和人体组织发生相互作用的几率。Freese和Savage计算了在平均尺寸的人体中，有多少原子核与穿过的暗物质粒子发生了碰撞。这里所说的“平均尺寸”，他们是指一块主要由氢、氧、碳、氮等元素构成的70公斤的肉块。他们说，暗物质与人体中氢原子核和氧原子核发生碰撞的可能性很大。关于暗物质的一般假设认为，碰撞一般每天发生大约30次；得到的计算结果是，地球上每个人每年要承受100000次的暗物质粒子碰撞。
2012年5月初，根据几项暗物质探测项目所获得的数据进行计算的结果显示，平均大约1分钟就会有一颗暗物质粒子击中人体。由于它们和常规物质发生相互作用的几率非常低，这当然也就意味着WIMP的撞击将不会给人体带来什么大的风险。
2、WIMP粒子湮灭反应
然而，当两颗大质量弱相互作用粒子（WIMP粒子）相互撞击时，会发生“湮灭反应”，在这一过程中所释放出的能量就会大得多。美国密歇根大学下属密歇根理论物理研究中心教授凯瑟琳·弗莱瑟（Katherine Frees）认为：这两颗粒子的质量都相当于质子质量的100倍。当两者相撞时，它们将拥有200倍质子质量的能量释放。这将是非常剧烈的。如果这种WIMP粒子湮灭反应发生在人体内，那么它将可能导致“对人体有害的突变”。当然，发生这种事件的“概率非常低”。
3、发现40万个正电子
它就是暗物质，一个让物理学界追寻半个多世纪的谜。但是，这个谜可能很快被揭晓。当地时间3日，诺贝尔奖获得者、华裔物理学家丁肇中及其阿尔法磁谱仪项目团队宣布，已借助阿尔法磁谱仪发现40万个正电子；这些正电子很可能就来自人类一直寻找的暗物质。
4、伽玛射线
科学家们希望，确定在银河系中央附近是否存在其他类型的伽玛射线；这些“光束”可能处于130GeV左右的能量区间上。对此，科学家也假设了是否是仪器问题导致的观测异常。加州大学天体物理学西蒙娜·穆尔贾称，除了130GeV的光子以外，我们还在2～3GeV（Giga-electron Volts，10亿电子伏特）能量区间内发现了低能伽玛射线。
5、暗物质粒子之间的相互作用
研究人员发现，当暗物质之间发生相互“碰撞”时，并不会降低其运行速度。这意味着，暗物质粒子之间的相互作用比我们之前认为的要弱许多。
6、星系团暗物质探测数据叠加图像
下图（来源：网络）是哈勃望远镜与钱德拉空间天文台的星系团暗物质探测数据叠加图像；其中，蓝色的为哈勃观测结果，粉红色的为钱德拉数据。它们展示了6个不同星系团暗物质之间的碰撞过程。这项调查共涉及72个大型星系团。
7、精度最高的电子宇宙射线能谱
2017年11月30日，《自然》杂志在线发表文章：暗物质粒子探测卫星“悟空”（DAMPE）团队在北京发布首批科学成果。该团对卫星首席科学家常进宣布，“悟空”卫星在轨运行的前530天，共采集了大约28亿颗高能宇宙射线；其中包含大约150万颗25GeV（Giga-electron Volts，10亿电子伏特）以上的电子宇宙射线。基于这些数据，科研人员成功地获取了国际上精度最高的电子宇宙射线能谱。该能谱将有助于发现暗物质存在的“蛛丝马迹”。
（注：GeV（Giga-electron Volts，10亿电子伏特））
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