暗物质粒子探测意义、方法、进展及展望

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1、第2卷第2期工程研究——跨学科视野中的工程2(2):95-992010年6月JOURNALOFENGINEERINGSTUDIESJun.,2010DOI:10.3724/SP.J.1224.2010.00095暗物质粒子探测：意义、方法、进展及展望常进(中国科学院紫金山天文台，南京210008)摘要:本文回顾了暗物质发现的历史，介绍了暗物质粒子探测方法和目前国际最新观测结果，重点讨论了空间探测暗物质粒子的技术方法和可能的突破点，就我国开展暗物质粒子空间探测提出了一些建议。关键词:暗物质；空间探测中图分类号:P172.4文献标识码:A文章编号:1674-4969(2010)02-00

2、95-051引言：暗物质及其意义速度分布等。20世纪70年代，美国天文学家V.鲁宾(V.Rubin)通过对旋涡星系的详细观测,使得自从牛顿发现了万有引力定律以来，人们就[2]“暗物质”这个概念得到了科学界的认可。漩涡星一直尝试用引力理论来解释各种天体的运动规系旋转曲线的测量是暗物质存在最直接的证据。律，在这个过程中，暗物质的概念很早就开始形2006年钱德拉X-射线望远镜观测到两个星成了。比如，对于天王星运动异常的解释导致法系团的合并,发现星系团中发光的热气体(由X-射国天文学家勒威耶(UrbainLeVerrier)和英国天文线像确定其位置)和两个星系的质量中心(由引力学家J.C.亚

3、当斯(J.C.Adams)猜测到海王星的存透镜观测确定其位置)并不重合。这一现象被认为在，并最终于1846年由J.G.伽勒(J.G.Galle)发是暗物质存在的直接证据，这是因为可见的重子现了海王星。由行星运动异常而猜测到另外一颗未被发现行星的存在非常类似于今天我们关于暗物质之间由于摩擦力而互相黏滞，但暗物质粒子物质的认识过程。目前从星系到宇宙学尺度的观可以相互通过，从而造成星系团中暗物质和重子测都发现可观测物体运动的异常现象，这表明可热气体在空间上分离成两团。这个结果引起了学能存在我们还没有“看见”的物质，即暗物质，它界的广泛关注，因为这基本排除了通过修改引力[3]们通过引力效应影

4、响了可见物体的运动。理论来解释所观察到的异常现象的途径。现代意义上的暗物质概念最早是由瑞士天文近年来由于WMAP卫星对微波背景(CMB)各学家F.扎维奇(F.Zwicky)提出的。1933年F.扎向异性的精确测量，我们可能通过拟合WMAP的维奇研究后发星系团中星系运动的速度弥散，他数据精确确定宇宙中暗物质的总量。目前拟合的根据所测得的星系速度弥散并应用维理定理得到结果给出暗物质在整个宇宙中所占的组分大约是[4]了后发星系团的质光比，发现其比太阳的质光比22%。总之，自从暗物质的概念提出至今，人们[1]在各种尺度的天文观测中都发现了暗物质存在的要大400倍左右。今天，天文学家有许多办法

5、可以测定星系团的质量，如通过弱引力透镜效应，证据。目前，暗物质的存在已经被人们普遍接受，通过团内热气体的X射线发射轮廓以及通过径向并且成为研究宇宙大尺度结构形成过程的必不可收稿日期:20100518;修回日期:20100528作者简介:常进(1966),男，江苏泰兴人，博士，研究员，主要从事空间天文研究工作。E-mail:chang@pmo.ac.cn96工程研究——跨学科视野中的工程,2(2):95-99(2010)少的要素。第三种办法称为暗物质的间接探测法。间接暗物质的存在是通过天文观测发现的，然而法是观测暗物质粒子衰变或相互作用后产生的稳标准模型中不包含能解释暗物质的

6、基本粒子。暗定粒子如伽马射线、正电子、反质子、中微子等。物质粒子探测和研究很可能导致物理学产生新的根据目前的理论模型，暗物质粒子衰变或相互作革命。目前世界各国都在集中人力、物力和财力用后可能会产生稳定的高能粒子，如果我们能够研究这一问题。例如，美国国家研究委员会由19精确测量这些粒子的能谱，可能会发现暗物质粒名权威物理学家和天文学家联合执笔的2002年子留下的蛛丝马迹。由于地球大气的影响，在地的报告中列出了新世纪要解答的11个科学问题，面上无法精确测量粒子的能谱，实验必须要在空“什么是暗物质”列在第一位。报告同时建议美国间进行。政府研究机构加强协调、集中资源为这些难题寻3暗物质粒子探

7、测国际最新进展找答案。目前暗物质的探测实验正处在蓬勃发展暗物质粒子探测是目前科学研究热点，竞争的阶段，未来十年将是暗物质探测的黄金时代。激烈。弄清这方面的国际形势对我国发展暗物质2暗物质粒子探测方法探测很重要。由于暗物质粒子不与光作用，也不会发光，普欧洲大型强子对撞机是世界上最大的大型强通的光学观测无法发现它的踪迹。为了了解暗物子对撞机，它的设计目标是对撞两个反向回旋的质的本质，目前的探测方法大致可以总结为如下质子束流，质子束流的总能量最高可达14万亿电三